(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数システムであって、
伝送路を介してマッチングネットワークに無線周波数信号を出力する電力増幅器と、
上記無線周波数信号を監視して上記無線周波数信号に応じた第１センサ信号を生成する第１センサと、
（ｉ）上記第１センサ信号のシヌソイド関数、および（ｉｉ）上記第１センサ信号の相互相関関数のうちの少なくとも一方によって第１歪み値を決定する歪みモジュールと、
（ｉ）上記第１歪み値および第１所定値に基づいて第１インピーダンスチューニング値を生成する処理と、（ｉｉ）上記電力増幅器または上記マッチングネットワークに上記第１インピーダンスチューニング値を出力する処理とを含む、上記マッチングネットワーク内で実行されるインピーダンス整合処理のフィードフォワード制御を行う第１補正回路とを備えていることを特徴とする無線周波数システム。
【請求項２】
上記第１補正回路は、
上記第１所定値を生成する第１入力モジュールと、
上記第１歪み値と上記第１所定値とを合計することによって第１補正値を算出する第１加算部と、
上記第１補正値に基づいて上記第１インピーダンスチューニング値を生成するチューニング制御モジュールとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数システム。
【請求項３】
上記第１補正回路は、上記第１インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークのチューニング入力部にフィードフォワードし、
上記無線周波数システムは、
上記第１センサ信号に基づいて第２歪み値を決定する第２歪みモジュールと、
（ｉ）上記第２歪み値と負荷設定値とに基づいて第２インピーダンスチューニング値を生成する処理、および（ｉｉ）上記第２インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークの負荷入力部にフィードフォワードする処理を行う第２補正回路とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数システム。
【請求項４】
上記第１歪み値は、上記第１センサ信号の内積と上記第１センサ信号の大きさとに基づいて生成され、
上記第２歪み値は、上記第１センサ信号の大きさの比率に基づいて生成されることを特徴とする請求項３に記載の無線周波数システム。
【請求項５】
上記第１補正回路は、
上記第１所定値を生成する第１入力モジュールと、
上記第１歪み値と上記第１所定値とを合計して第１補正値を生成する第１加算部と、
上記第１補正値に基づいて上記第１インピーダンスチューニング値を生成するチューニング制御モジュールとを備え、
上記第２補正回路は、
上記負荷設定値を生成する負荷設定値モジュールと、
上記第２歪み値と上記負荷設定値とを合計して第２補正値を生成する第２加算部と、
上記第２補正値に基づいて上記第２インピーダンスチューニング値を生成する負荷制御モジュールとを備えていることを特徴とする請求項３に記載の無線周波数システム。
【請求項６】
上記第１歪み値と第２所定値とに基づいて第３インピーダンスチューニング値を決定する第３補正回路を備え、
上記第３補正回路は、上記第３インピーダンスチューニング値を上記電力増幅器に出力することを特徴とする請求項３に記載の無線周波数システム。
【請求項７】
上記第１補正回路は、
上記第１所定値を生成する第１入力モジュールと、
上記第１歪み値と上記第１所定値とを合計して第１補正値を生成する第１加算部と、
上記第１補正値に基づいて上記第１インピーダンスチューニング値を決定するチューニング制御モジュールとを備え、
上記第２補正回路は、
上記負荷設定値を生成する負荷設定値モジュールと、
上記第２歪み値と上記負荷設定値とを合計して第２補正値を生成する第２加算部と、
上記第２補正値に基づいて上記第２インピーダンスチューニング値を生成する負荷制御モジュールとを備え、
上記第３補正回路は、
上記第２所定値を生成する第２入力モジュールと、
上記第１歪み値と上記第２所定値とを合計して第３補正値を生成する第３加算部と、
上記第３補正値に基づいて上記第３インピーダンスチューニング値を生成する周波数制御モジュールとを備えていることを特徴とする請求項６に記載の無線周波数システム。
【請求項８】
上記第１補正回路は、上記第１インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークに出力し、
上記無線周波数システムは、上記第１歪み値と第２所定値とに基づいて第２インピーダンスチューニング値を決定する第２補正回路を備え、
上記第２補正回路は、上記第２インピーダンスチューニング値を上記電力増幅器に出力することを特徴とする請求項１に記載の無線周波数システム。
【請求項９】
第３インピーダンスチューニング値を生成して上記電力増幅器に出力する第３補正回路を備え、
上記電力増幅器は、上記第３インピーダンスチューニング値に基づいて上記無線周波数信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の無線周波数システム。
【請求項１０】
上記電力増幅器は、上記第３インピーダンスチューニング値に基づいて上記無線周波数信号の周波数を調整することを特徴とする請求項９に記載の無線周波数システム。
【請求項１１】
上記電力増幅器の電力を調整する電力制御部を備え、
上記電力増幅器は、上記電力制御部によって当該電力増幅器の電力が調整されている期間中に、電力調整と周波数チューニングとを連動させて上記周波数を調整することを特徴とする請求項１０に記載の無線周波数システム。
【請求項１２】
上記無線周波数システムの割り込み更新期間中であっても上記電力増幅器の電力の調整を行い、上記無線周波数システムの割り込み更新期間の残りの期間に上記周波数の調整を行うことを特徴とする請求項１１に記載の無線周波数システム。
【請求項１３】
上記第１補正回路は、当該無線周波数システムの動作帯域幅内で周波数を更新する際、上記周波数を当該無線周波数システムと負荷との間の最大正方向電力に対応する周波数設定値に収束させることを特徴とする請求項１１に記載の無線周波数システム。
【請求項１４】
上記第１歪み値が最大値よりも大きい場合に応答を行う第１制御モジュールと、上記第１歪み値が上記最大値以下である場合に応答を行う第２制御モジュールとを有する周波数制御モジュールを備えていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数システム。
【請求項１５】
上記第１制御モジュールの応答速度は第１周波数収束速度であり、
上記第２制御モジュールの応答速度は第２周波数収束速度であり、
上記第２周波数収束速度は上記第１周波数収束速度よりも速いことを特徴とする請求項１４に記載の無線周波数システム。
【請求項１６】
上記マッチングネットワークを備えており、
上記マッチングネットワークは、上記電力増幅器における負荷のインピーダンスを上記伝送路のインピーダンスに整合させることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数システム。
【請求項１７】
上記マッチングネットワークは、
上記無線周波数信号を監視して第２センサ信号を生成する第２センサと、
上記第２センサ信号に基づいて上記電力増幅器の負荷のインピーダンスを上記伝送路のインピーダンスに整合させるインピーダンス整合回路とを備えていることを特徴とする請求項１６に記載の無線周波数システム。
【請求項１８】
上記第２センサは上記第１センサとは別体に備えられていることを特徴とする請求項１７に記載の無線周波数システム。
【請求項１９】
上記第１センサ信号は、上記無線周波数信号の電圧を示す電圧信号と上記無線周波数信号の電流を示す電流信号とを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線周波数システム。
【請求項２０】
上記シヌソイド関数は、上記電圧信号と上記電流信号との内積、上記電圧信号の大きさ、および上記電流信号の大きさを含むことを特徴とする請求項１９に記載の無線周波数システム。
【請求項２１】
上記第１センサは、上記マッチングネットワークで反射して上記電力増幅器に還流される逆方向電力を検出する指向性カップリングセンサを備え、
上記無線周波数システムは、上記電力増幅器によって上記伝送路に供給される正方向電力を検出する第２指向性カップリングセンサをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数システム。
【請求項２２】
上記シヌソイド関数は、正方向電力と逆方向電力との内積と、逆方向電力の大きさと、正方向電力の大きさとを含むことを特徴とする請求項２１に記載の無線周波数システム。
【請求項２３】
無線周波数システムの駆動方法であって、
電力増幅器によって無線周波数信号を生成する工程と、
伝送路を介して上記無線周波数信号をマッチングネットワークに出力する工程と、
上記無線周波数信号を監視して上記無線周波数信号に応じたセンサ信号を生成する工程と、
（ｉ）上記センサ信号のシヌソイド関数、および（ｉｉ）上記センサ信号の相互相関関数のうちの少なくとも一方によって第１歪み値を決定する工程と、
上記第１歪み値と第１所定値とに基づいて第１インピーダンスチューニング値を生成する工程と、
上記電力増幅器または上記マッチングネットワークに上記第１インピーダンスチューニング値を出力する処理を含む、上記マッチングネットワーク内で実行されるインピーダンス整合処理のフィードフォワード制御を行う工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
上記第１インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークのチューニング入力部にフィードフォワードする工程と、
上記センサ信号の大きさの比率に基づいて第２歪み値を決定する工程と、
上記第２歪み値と負荷設定値とに基づいて第２インピーダンスチューニング値を生成する工程と、
上記第２インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークの負荷入力部にフィードフォワードする工程とを含み、
上記第１歪み値を、上記センサ信号の内積と上記センサ信号の大きさとに基づいて決定することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
上記第１インピーダンスチューニング値を上記電力増幅器に出力する工程と、
上記電力増幅器により上記第１インピーダンスチューニング値に基づいて無線周波数信号の周波数を調整する工程とを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
無線周波数システムであって、
伝送路を介してマッチングネットワークに無線周波数信号を出力する電力増幅器と、
上記無線周波数信号を監視して上記無線周波数信号に応じた第１センサ信号を生成する第１センサと、
上記第１センサ信号のシヌソイド関数によって第１歪み値を決定する歪みモジュールと、
（ｉ）上記第１歪み値および第１所定値に基づいて第１インピーダンスチューニング値を生成する処理と、（ｉｉ）上記電力増幅器または上記マッチングネットワークに上記第１インピーダンスチューニング値を出力する処理とを含む、上記マッチングネットワーク内で実行されるインピーダンス整合処理のフィードフォワード制御を行う第１補正回路とを備えていることを特徴とする無線周波数システム。
【請求項２７】
上記歪みモジュールは、上記第１センサ信号のシヌソイド関数、および上記第１センサ信号の相互相関関数のうちの少なくとも一方によって第１歪み値を決定することを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項２８】
上記第１補正回路は、
上記第１所定値を生成する第１入力モジュールと、
上記第１歪み値と上記第１所定値とを合計することによって第１補正値を算出する第１加算部と、
上記第１補正値に基づいて上記第１インピーダンスチューニング値を生成するチューニング制御モジュールとを備えていることを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項２９】
上記第１補正回路は、可変制御係数に基づいて上記第１インピーダンスチューニング値を生成する周波数制御モジュールをさらに備えていることを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項３０】
上記第１インピーダンスチューニング値はＰＩＤ制御関数に基づいて生成され、上記可変制御係数はＰＩＤ制御関数の係数であることを特徴とする請求項２９に記載の無線周波数システム。
【請求項３１】
上記第１補正回路は、上記第１インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークのチューニング入力部にフィードフォワードし、
上記無線周波数システムは、
上記第１センサ信号に基づいて第２歪み値を決定する第２歪みモジュールと、
（ｉ）上記第２歪み値と負荷設定値とに基づいて第２インピーダンスチューニング値を生成する処理、および（ｉｉ）上記第２インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークの負荷入力部にフィードフォワードする処理を行う第２補正回路とを備えており、
上記第１補正回路および上記第２補正回路は、上記第１インピーダンスチューニング値および上記第２インピーダンスチューニング値を通信することを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項３２】
上記第１歪み値と第２所定値とに基づいて第３インピーダンスチューニング値を決定する第３補正回路を備え、
上記第３補正回路は、上記第３インピーダンスチューニング値を上記電力増幅器に出力することを特徴とする請求項３１に記載の無線周波数システム。
【請求項３３】
上記第２補正回路は負荷制御モジュールを備えており、上記負荷制御モジュールは上記第２インピーダンスチューニング値を可変制御係数に基づいて生成することを特徴とする請求項３２に記載の無線周波数システム。
【請求項３４】
上記第３インピーダンスチューニング値はＰＩＤ制御関数に基づいて生成され、上記可変制御係数はＰＩＤ制御関数の係数であることを特徴とする請求項３３に記載の無線周波数システム。
【請求項３５】
可変インピーダンスを供給する可変チューニング部材を備えていることを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項３６】
上記可変チューニング部材はコンデンサまたは周波数制御回路であり、上記可変チューニング部材は初期値を含むことを特徴とする請求項３５に記載の無線周波数システム。
【請求項３７】
第３インピーダンスチューニング値を生成して上記電力増幅器に出力する第３補正回路を備え、
上記電力増幅器は、上記第３インピーダンスチューニング値に基づいて上記無線周波数信号を生成することを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項３８】
上記電力増幅器は、上記第３インピーダンスチューニング値に基づいて上記無線周波数信号の周波数を調整することを特徴とする請求項３７に記載の無線周波数システム。
【請求項３９】
上記電力増幅器の電力を調整する電力制御部を備え、
上記電力増幅器は、上記電力制御部によって当該電力増幅器の電力が調整されている期間中に、電力調整と周波数チューニングとを連動させて上記周波数を調整することを特徴とする請求項３８に記載の無線周波数システム。
【請求項４０】
上記電力増幅器の電力は当該無線周波数システムの第１期間中に調整され、上記周波数は当該無線周波数システムの第２期間中に調整されることを特徴とする請求項３９に記載の無線周波数システム。
【請求項４１】
上記第１補正回路は、当該無線周波数システムの動作帯域幅内で周波数を更新する際、上記周波数を当該無線周波数システムと負荷との間の最大正方向電力に対応する周波数設定値に収束させ、上記周波数設定値は可変値または固定値であることを特徴とする請求項３９に記載の無線周波数システム。
【請求項４２】
可変制御係数に基づいて第１制御モジュール応答を生成する周波数制御回路を備えていることを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項４３】
上記第１制御モジュール応答はＰＩＤ制御関数に基づいて生成され、上記可変制御係数は上記ＰＩＤ制御関数の係数であることを特徴とする請求項４２に記載の無線周波数システム。
【請求項４４】
上記マッチングネットワークは、上記電力増幅器における負荷のインピーダンスを上記伝送路のインピーダンスと整合させることを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項４５】
上記シヌソイド関数は、
（ｉ）第１センサ信号から選択される信号に応じて変化する内積と第１センサ信号から選択される信号に応じて変化する大きさ、
（ｉｉ）第１センサ信号から選択される信号に応じて変化するフィルタリングされた直交成分、および
（ｉｉｉ）第１センサ信号から選択される信号に応じて変化するシヌソイド成分のうちの１つを含むことを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項４６】
上記第１センサ信号は、上記無線周波数信号の電圧を示す電圧信号と上記無線周波数信号の電流を示す電流信号とを含むことを特徴とする請求項４５に記載の無線周波数システム。
【請求項４７】
上記シヌソイド関数は、上記電圧信号と上記電流信号との内積、上記電圧信号の大きさ、および上記電流信号の大きさを含むことを特徴とする請求項４６に記載の無線周波数システム。
【請求項４８】
上記第１センサは、上記マッチングネットワークで反射して上記電力増幅器に還流される逆方向電力を検出する指向性カップリングセンサを備え、
上記無線周波数システムは、上記電力増幅器によって上記伝送路に供給される正方向電力を検出する第２指向性カップリングセンサをさらに備えていることを特徴とする請求項４５に記載の無線周波数システム。
【請求項４９】
上記シヌソイド関数は、正方向電力と逆方向電力との内積と、逆方向電力の大きさと、正方向電力の大きさとを含むことを特徴とする請求項４８に記載の無線周波数システム。
【請求項５０】
上記第１歪み値は、上記第１センサ信号の内積と上記第１センサ信号の大きさとに基づいて生成されることを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項５１】
上記第１歪み値は、上記第１センサ信号の大きさの比率に基づいて生成されることを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項５２】
（ｉ）第２歪み値および負荷設定値に基づいて第２インピーダンスチューニング値を生成する処理、および（ｉｉ）上記第２インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークの負荷入力部にフィードフォワードする処理を行う第２補正回路と、
上記第１歪み値と第２所定値とに基づいて第３インピーダンスチューニング値を決定し、上記第３インピーダンスチューニング値を上記電力増幅器に出力する第３補正回路とを備えていることを特徴とする請求項２６に記載の無線周波数システム。
【請求項５３】
上記第１インピーダンスチューニング値は複素平面における実数成分をもたらし、
上記第２インピーダンスチューニング値および上記第３インピーダンスチューニング値は複素平面における虚数成分をもたらすことを特徴とする請求項５２に記載の無線周波数システム。
【請求項５４】
上記第１インピーダンスチューニング値により上記マッチングネットワークの第１キャパシタンスを調整し、
第２インピーダンスチューニング値により上記マッチングネットワークの第２キャパシタンスを調整し、
第３インピーダンスチューニング値により上記電力増幅器の周波数を調整することを特徴とする請求項５２に記載の無線周波数システム。
【請求項５５】
上記第１インピーダンスチューニング値を調整した後に上記第２インピーダンスチューニング値を調整し、上記第２インピーダンスチューニング値を調整した後に上記第３インピーダンスチューニング値を調整することを特徴とする請求項５２に記載の無線周波数システム。
【請求項５６】
上記第１インピーダンスチューニング値および上記第２インピーダンスチューニング値の調整により第１操作空間の制御が可能になり、
上記第２インピーダンスチューニング値および上記第３インピーダンスチューニング値の調整により上記第１操作空間内の第２操作空間の制御が可能になることを特徴とする請求項５４に記載の無線周波数システム。
【請求項５７】
上記第１インピーダンスチューニング値は複素平面における実数成分をもたらし、
上記第２インピーダンスチューニング値および上記第３インピーダンスチューニング値は複素平面における虚数成分をもたらし、
上記第１インピーダンスチューニング値、上記第２インピーダンスチューニング値、および上記第３インピーダンスチューニング値は、当該無線周波数システムは、上記複素平面における任意の点に調整可能であることを特徴とする請求項５２に記載の無線周波数システム。
【請求項５８】
無線周波数システムであって、
伝送路を介してマッチングネットワークに連続波またはパルス波からなる無線周波数信号を出力する電力増幅器と、
上記無線周波数信号を監視して上記無線周波数信号に応じた第１センサ信号を生成する第１センサと、
上記第１センサ信号のシヌソイド関数によって第１歪み値を決定する歪みモジュールと、
（ｉ）上記第１歪み値および第１所定値に基づいて第１インピーダンスチューニング値を生成する処理と、（ｉｉ）上記電力増幅器または上記マッチングネットワークに上記第１インピーダンスチューニング値を出力する処理とを含む、上記マッチングネットワーク内で実行されるインピーダンス整合処理のフィードフォワード制御を行う第１補正回路とを備えていることを特徴とする無線周波数システム。
【請求項５９】
上記歪みモジュールは、上記第１センサ信号のシヌソイド関数、および上記第１センサ信号の相互相関関数のうちの少なくとも一方によって第１歪み値を決定することを特徴とする請求項５８に記載の無線周波数システム。
【請求項６０】
上記第１補正回路は、可変制御係数に基づいて上記第１インピーダンスチューニング値を生成する周波数制御モジュールをさらに備えていることを特徴とする請求項５８に記載の無線周波数システム。
【請求項６１】
（ｉ）第２歪み値と負荷設定値とに基づいて第２インピーダンスチューニング値を生成する処理、および（ｉｉ）上記第２インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークの負荷入力部にフィードフォワードする処理を行う第２補正回路とを備えており、
上記第１補正回路および上記第２補正回路は、上記第１インピーダンスチューニング値および上記第２インピーダンスチューニング値を通信することを特徴とする請求項５８に記載の無線周波数システム。
【請求項６２】
上記第１補正回路は、上記第１インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークのチューニング入力部にフィードフォワードし、
上記無線周波数システムは、
上記第１センサ信号に基づいて第２歪み値を決定する第２歪みモジュールと、
（ｉ）上記第２歪み値と負荷設定値とに基づいて第２インピーダンスチューニング値を生成する処理、および（ｉｉ）上記第２インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークの負荷入力部にフィードフォワードする処理を行う第２補正回路とを備えていることを特徴とする請求項６１に記載の無線周波数システム。
【請求項６３】
負荷制御モジュールを有する第３補正回路を備え、上記負荷制御モジュールは可変制御係数に基づいて第３インピーダンスチューニング値を生成することを特徴とする請求項６２に記載の無線周波数システム。
【請求項６４】
上記シヌソイド関数は、
（ｉ）第１センサ信号から選択される信号に応じて変化する内積と第１センサ信号から選択される信号に応じて変化する大きさ、
（ｉｉ）第１センサ信号から選択される信号に応じて変化するフィルタリングされた直交成分、および
（ｉｉｉ）第１センサ信号から選択される信号に応じて変化するシヌソイド成分のうちの１つを含むことを特徴とする請求項５８に記載の無線周波数システム。
【請求項６５】
上記第１センサ信号は、上記無線周波数信号の電圧を示す電圧信号と上記無線周波数信号の電流を示す電流信号とを含むことを特徴とする請求項６４に記載の無線周波数システム。
【請求項６６】
上記シヌソイド関数は、上記電圧信号と上記電流信号との内積、上記電圧信号の大きさ、および上記電流信号の大きさを含むことを特徴とする請求項６５に記載の無線周波数システム。
【請求項６７】
上記第１センサは、上記マッチングネットワークで反射して上記電力増幅器に還流される逆方向電力を検出する指向性カップリングセンサを備え、
上記無線周波数システムは、上記電力増幅器によって上記伝送路に供給される正方向電力を検出する第２指向性カップリングセンサをさらに備えていることを特徴とする請求項６５に記載の無線周波数システム。
【請求項６８】
上記シヌソイド関数は、正方向電力と逆方向電力との内積と、逆方向電力の大きさと、正方向電力の大きさとを含むことを特徴とする請求項６５に記載の無線周波数システム。
【請求項６９】
上記第１歪み値は、上記第１センサ信号の内積と上記第１センサ信号の大きさとに基づいて生成されることを特徴とする請求項５８に記載の無線周波数システム。
【請求項７０】
上記第１歪み値は、上記第１センサ信号の大きさの比率に基づいて生成されることを特徴とする請求項５８に記載の無線周波数システム。
【請求項７１】
（ｉ）第２歪み値および負荷設定値に基づいて第２インピーダンスチューニング値を生成する処理、および（ｉｉ）上記第２インピーダンスチューニング値を上記マッチングネットワークの負荷入力部にフィードフォワードする処理を行う第２補正回路と、
上記第１歪み値と第２所定値とに基づいて第３インピーダンスチューニング値を決定し、上記第３インピーダンスチューニング値を上記電力増幅器に出力する第３補正回路とを備えていることを特徴とする請求項５８に記載の無線周波数システム。
【請求項７２】
上記第１インピーダンスチューニング値は複素平面における実数成分をもたらし、
上記第２インピーダンスチューニング値および上記第３インピーダンスチューニング値は複素平面における虚数成分をもたらすことを特徴とする請求項７１に記載の無線周波数システム。
【請求項７３】
上記第１インピーダンスチューニング値により上記マッチングネットワークの第１キャパシタンスを調整し、
第２インピーダンスチューニング値により上記マッチングネットワークの第２キャパシタンスを調整し、
第３インピーダンスチューニング値により上記電力増幅器の周波数を調整することを特徴とする請求項７１に記載の無線周波数システム。
【請求項７４】
上記第１インピーダンスチューニング値を調整した後に上記第２インピーダンスチューニング値を調整し、上記第２インピーダンスチューニング値を調整した後に上記第３インピーダンスチューニング値を調整することを特徴とする請求項７１に記載の無線周波数システム。
【請求項７５】
上記第１インピーダンスチューニング値および上記第２インピーダンスチューニング値の調整により第１操作空間の制御が可能になり、
上記第２インピーダンスチューニング値および上記第３インピーダンスチューニング値の調整により上記第１操作空間内の第２操作空間の制御が可能になることを特徴とする請求項７４に記載の無線周波数システム。
【請求項７６】
上記第１インピーダンスチューニング値は複素平面における実数成分をもたらし、
上記第２インピーダンスチューニング値および上記第３インピーダンスチューニング値は複素平面における虚数成分をもたらし、
上記第１インピーダンスチューニング値、上記第２インピーダンスチューニング値、および上記第３インピーダンスチューニング値は、当該無線周波数システムは、上記複素平面における任意の点に調整可能であることを特徴とする請求項７３に記載の無線周波数システム。
【請求項７７】
無線周波数システムであって、
伝送路を介してマッチングネットワークに無線周波数信号を出力する電力増幅器と、
上記無線周波数信号を監視して上記無線周波数信号に応じた第１センサ信号を生成する第１センサと、
上記第１センサ信号の相互相関関数によって第１歪み値を決定する歪みモジュールと、
（ｉ）上記第１歪み値および第１所定値に基づいて第１インピーダンスチューニング値を生成する処理と、（ｉｉ）上記電力増幅器または上記マッチングネットワークに上記第１インピーダンスチューニング値を出力する処理とを含む、上記マッチングネットワーク内で実行されるインピーダンス整合処理のフィードフォワード制御を行う第１補正回路とを備えていることを特徴とする無線周波数システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、無線周波数（ＲＦ；radio frequency）発生装置に関するものであり、より具体的にはＲＦ発生装置の周波数制御に関するものである。
〔背景技術〕
この背景技術欄の記載は、本明細書の開示内容の背景状況を概略的に示すためのものである。この背景技術欄に開示している本願発明者らの成果は、本願出願時点で公知であることを示すものではなく、本願発明に対する先行技術であることを明示するものでもない。
【０００２】
半導体の製造工程では、プラズマエッチングがよく用いられる。プラズマエッチングでは、基板上の露出面をエッチングするために電界によってイオンが加速される。上記電界はＲＦ（radio frequency；無線周波数）電力システムに備えられるＲＦ発生装置によって生成されるＲＦ電力信号に基づいて生成される。パラズマエッチングを効果的に実行するためには、ＲＦ発生装置によって生成されるＲＦ電力信号を正確に制御する必要がある。
【０００３】
ＲＦ電力システムは、ＲＦ発生装置、マッチングネットワーク、および負荷（例えばプラズマチャンバ）を備えている。ＲＦ発生装置はＲＦ電力信号を生成する。ＲＦ発生装置によって生成されたＲＦ電力信号はマッチングネットワークに入力される。マッチングネットワークは、当該マッチングネットワークの入力インピーダンスをＲＦ発生装置と当該マッチングネットワークとの間の伝送路の特性インピーダンスに整合（マッチング）させる。このインピーダンスの整合は、マッチングネットワークに伝送される電力（正方向電力）の電力量の最大化、および反射してマッチングネットワークからＲＦ発生装置に還流される電力（逆方向電力）の電力量の最小化を目的としている。正方向電力および逆方向電力は、マッチングネットワークの入力インピーダンスが上記伝送路の特性インピーダンスに整合したときに最小化される。
【０００４】
マッチングネットワークに伝送される電力を最大化するようにＲＦ発生装置を制御するための方法として、典型的には、発見的方法、フィードバック法、あるいはフィードフォワード法などが用いられる。発見的方法では、所定のルールに基づいてパラメータを徐々に変化させながら予め設定された基準を満たす応答が得られるパラメータを探索する。発見的方法では、逆方向電力を最小化するための電力増幅回路の整合周波数（マッチング周波数）の探索の実行、探索領域のステップ幅の増加、探索方向の変更、探索の開始および終了などが行われる。なお、発見的方法は、伝達関数によって表すことはできない。
【０００５】
フィードバック法は、典型的には、電力設定値とＲＦ発生装置からマッチングネットワークに伝送される電力の電力量との誤差を最小化するためにフィードバックループを用いる。上記フィードバックループは、センサおよび制御モジュールを備えていてもよい。上記制御モジュールは、敏捷なＲＦ電源（あるいは電力増幅器）の出力電力を調整する。上記センサは、電力増幅器からの電圧、電流、正方向電力、および／または逆方向電力を検出し、検出信号を生成する。正方向電力の電力量、あるいは正方向電力と逆方向電力との差が検出される。誤差信号は上記の差に基づいて生成される。上記制御モジュールは、上記誤差信号に基づいて電力制御信号を生成する。上記電力増幅器は、上記制御モジュールからの電力制御信号に基づいてＲＦ電力信号を生成する。この方法ではＲＦ発生装置からマッチングネットワークへの正方向電力を最大化するために電力の誤差を最小化するが、逆方向電力がゼロではない場合に逆方向電力を最小化することができないという制限がある。
【０００６】
フィードバック法の他の例では、電力増幅器の出力電圧および出力電力に基づいて生成されるセンサ信号間の位相差を検出する。電力増幅器の周波数は、上記の位相差の検出結果に応じて位相差および／または逆方向電力を最小化するように、電圧制御発振器によって調整される。上記の電圧制御発振器に基づく周波数の調整は、ＲＦ電源システムにおける系統的な変動に関連する定量的な誤差を生じさせる。上記の系統的な変動は、位相誤差（位相オフセット）、負荷の不整合、周波数調整に関連するＲＦ信号の調整不良、およびマッチングネットワークの負荷パラメータの調整不良などを含み得る。上記の系統的な変動は、位相差をゼロまで減少させること、および／または、スミスチャート上にプロットされる反射係数が（０，０）点に到達することを妨げる。また、上記の系統的な変動は、負荷への必要な電力伝送を妨げる。このため、これらの系統的な変動を最小化するために、位相オフセットの較正機構、および／または、発見的方法が要求されている。また、位相に基づいて電力増幅器の周波数を調整する場合、位相差を最小化するように周波数を調整する方向を決定するために方向性を示す信号が要求される。
【０００７】
フィードバック法のさらに他の例では、正方向電力と逆方向電力とを検出する。電力増幅器の周波数は、電圧制御発振器によって正方向電力および逆方向電力に基づいて逆方向電力を最小化するように調整される。この方法では、逆方向電力を最小化するために位相情報を必要としない。
【０００８】
フィードフォワード法の一例では、マッチングネットワークにおけるコンデンサのキャパシタンスを調整するためにフィードフォワードループを用いる。処理装置（プロセッサ）は、センサの出力に基づいてコンデンサのキャパシタンスを変化させるようにモータの動作を調整する。上記処理装置は、逆方向電力が最小レベルになるまでキャパシタンスの調整を行う。
〔先行技術文献〕
〔特許文献〕
〔特許文献１〕米国特許第５２２３４５７号明細書
〔特許文献２〕米国特許第５３８３０１９号明細書
〔特許文献３〕米国特許第５６５４６７９号明細書
〔特許文献４〕米国特許第５６８８３５７号明細書
〔特許文献５〕米国特許第５８９２１９８号明細書
〔特許文献６〕米国特許第６０２０７９４号明細書
〔特許文献７〕米国特許第６３２６５８４号明細書
〔特許文献８〕米国特許第６３９２２１０号明細書
〔特許文献９〕米国特許第７８３９２２３号明細書
〔特許文献１０〕米国特許出願公開第２００６／０２３２４７１号明細書
〔特許文献１１〕米国特許出願公開第２００７／０１３９１２２号明細書
〔特許文献１２〕米国特許出願公開第２００９／０３１５４６３号明細書
〔発明の概要〕
本発明の一態様にかかる無線周波数システムは、伝送路を介してマッチングネットワークに無線周波数信号を出力する電力増幅器と、上記無線周波数信号を監視して上記無線周波数信号に応じた第１センサ信号を生成する第１センサと、（ｉ）上記第１センサ信号のシヌソイド関数、および（ｉｉ）上記第１センサ信号の相互相関関数のうちの少なくとも一方によって第１歪み値を決定する歪みモジュールと、（ｉ）上記第１歪み値および第１所定値に基づいて第１インピーダンスチューニング値を生成する処理と、（ｉｉ）上記電力増幅器または上記マッチングネットワークに上記第１インピーダンスチューニング値を出力する処理とを含む、上記マッチングネットワーク内で実行されるインピーダンス整合処理のフィードフォワード制御を行う第１補正回路とを備えている。
【０００９】
本発明の一態様にかかる無線周波数システムの駆動方法は、電力増幅器によって無線周波数信号を生成する工程と、伝送路を上記無線周波数信号を介してマッチングネットワークに出力する工程と、上記無線周波数信号を監視して上記無線周波数信号に応じたセンサ信号を生成する工程と、（ｉ）上記センサ信号のシヌソイド関数、および（ｉｉ）上記センサ信号の相互相関関数のうちの少なくとも一方によって第１歪み値を決定する工程と、上記第１歪み値と第１所定値とに基づいて第１インピーダンスチューニング値を生成する工程と、上記電力増幅器または上記マッチングネットワークに上記第１インピーダンスチューニング値を出力する処理を含む、上記マッチングネットワーク内で実行されるインピーダンス整合処理のフィードフォワード制御を行う工程とを含む。
【００１０】
本明細書の開示を適用可能な範囲は、後述する詳細な説明、請求項、および図面から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の実施例は、単なる具体例にすぎず、本明細書の開示範囲を限定することを意図したものではない。
〔図面の簡単な説明〕
本発明の開示内容は、以下に示す発明の詳細な説明および添付図によってより完全に理解できるであろう。
【００１１】
図１は、本発明の一態様に関する図面であり、フィードフォワード制御を行うＲＦ電源システムの機能ブロック図である。
【００１２】
図２は、本発明の一態様に関する図面であり、フィードフォワード制御および電力補正フィードバック制御を行うＲＦ電源システムの機能ブロック図である。
【００１３】
図３は、本発明の一態様に関する図面であり、フィードフォワード制御方法およびフィードバック制御方法を示す説明図である。
【００１４】
図４は、本発明の一態様に関する図面であり、周波数に基づくインピーダンス整合のフィードフォワード制御方法およびフィードバック制御方法を示す説明図である。
【００１５】
図５Ａは、本発明の一態様に関する図面であり、電圧および電流センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合の反射係数の周波数チューニング軌跡を示すスミスチャートである。
【００１６】
図５Ｂは、図５Ａに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【００１７】
図５Ｃは、図５Ｂに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【００１８】
図６Ａは、本発明の一態様に関する図面であり、電圧および電流センサを用いて周波数範囲の上限の初期化を行う場合の反射係数の周波数チューニング軌跡を示すスミスチャートである。
【００１９】
図６Ｂは、図６Ａに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【００２０】
図６Ｃは、図６Ｂに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【００２１】
図７Ａは、本発明の一態様に関する図面であり、方向性結合器センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合の反射係数の周波数チューニング軌跡を示すスミスチャートである。
【００２２】
図７Ｂは、図７Ａに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【００２３】
図７Ｃは、図７Ｂに示した周波数の更新結果に対応する反射係数の大きさの変化をプロットした図である。
【００２４】
図８Ａは、本発明の一態様に関する図面であり、方向性結合器センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合のマッチングネットワークにおける反射係数の周波数チューニング軌跡を示すスミスチャートである。
【００２５】
図８Ｂは、図８Ａに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【００２６】
図８Ｃは、図８Ｂに示した周波数の更新結果に対応する反射係数の大きさの変化をプロットした図である。
【００２７】
図９Ａは、本発明の一態様に関する図面であり、周波数の更新結果および反響をプロットした図である。
【００２８】
図９Ｂは、図９Ａに示した周波数の更新結果に関連する歪みの変化をプロットした図である。
【００２９】
図９Ｃは、本発明の一態様に関する図面であり、周波数の更新結果および反響をプロットした図である。
【００３０】
図９Ｄは、図９Ｃに示した周波数の更新結果に関連する歪みの変化をプロットした図である。
【００３１】
図１０は、本発明の一態様における周波数チューニングを示すスミスチャートである。
【００３２】
図１１は、本発明の一態様における歪み、位相角、およびインピーダンス値をプロットした図である。
【００３３】
図１２は、本発明の一態様におけるインピーダンスの軌跡をプロットした図である。
【００３４】
図１３は、本発明の一態様における、異なるインピーダンスについて電力歪みに対する周波数の軌跡をプロットした図である。
〔詳細な説明〕
上述した説明は、単に本明細書の開示内容の性質を示すものであり、開示内容、開示内容の適用方法あるいは利用方法を制限することを意図したものではない。本発明の開示内容の広範な教示は、様々な形態で実施可能である。したがって、本明細書の開示内容には特定の例が含まれているが、本明細書の開示内容の真の範囲はそれらに限定されるものではなく、図面、明細書、および請求項を考慮して適宜変更可能である。図面では、明確化のために、同じ部材には同じ符号を用いている。本明細書において、Ａ，Ｂ，およびＣのうちの少なくとも１つという記載は、非排他的な論理演算子ｏｒを用いた論理式（ＡｏｒＢｏｒＣ）を意味する。なお、本発明の概念を変更しない範囲内で、１または複数の工程の順序を変更したり、複数の工程を並行して行ったりしてもよい。
【００３５】
本明細書において、「モジュール」という用語は、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ；Application Specific Integrated Circuit）、電気回路、論理回路の組み合わせ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ；field programmable gate array）、コード（コンピュータコード）を実行するプロセッサ（共有プロセッサ、専用プロセッサ、あるいはグループプロセッサ）、後述する機能を実現することのできるその他のハードウェア要素、上述した要素の一部または全部の組み合わせ（例えばシステムオンチップなど）を含む。また、「モジュール」という用語には、プロセッサによって実行されるコードを記憶するメモリ（共有メモリ、専用メモリ、あるいはグループメモリ）も含まれる。
【００３６】
上記の「コード」という用語は、プログラム、ルーチン、関数、クラス、および／またはオブジェクトなどを示し、ソフトウェア、ファームウェア、および／またはマイクロコードなどが含まれる。上記の「共有」という用語は、複数のモジュールから入力されるコードを１つのプロセッサ（共用プロセッサ）によって実行すること、あるいは、複数のモジュールから入力されるコードを１つのメモリ（共用メモリ）に記憶させることを意味する。上記の「グループ」という用語は、単一のモジュールからのコードの一部または全部を複数のプロセッサのグループを用いて処理すること、あるいは、一のモジュールからのコードの一部または全部を複数のメモリのグループに記憶させることを意味する。
【００３７】
本明細書に開示する装置および方法は、１または複数のプロセッサ（処理装置）によって実行される１または複数のコンピュータプログラムによって実現されるものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体に非一時的に格納されたプロセッサが実行可能な命令を含む。上記記憶媒体としては、特に限定されるものではないが、例えば、不揮発性メモリ、磁気記憶装置、および光学記憶装置などが挙げられる。
【００３８】
本明細書では、様々な要素、部材、ループ、回路、および／またはモジュールに対して第１、第２、第３などの用語を用いているが、これらの用語は部材、ループ、回路、および／またはモジュールの構成を限定するものではない。これらの用語は、単に、ある要素、部材、ループ、回路、あるいはモジュールを、他の要素、部材、ループ、回路、あるいはモジュールと区別するために用いられるものである。「第１」、「第２」、あるいは他の数を示すこれらの用語は、文脈から明白である場合を除いて、順序や順番を示すものではない。したがって、後述する第１要素、第１部材、第１ループ、第１回路、あるいは第１モジュールは、本明細書の実施例の教示から外れることなく、第２要素、第２部材、第２ループ、第２回路、あるいは第２モジュールと称することもできる。
【００３９】
以下に示す様々な技術は、電力増幅器および／またはＲＦ電力発生装置と、ＲＦ電力システムのマッチングネットワークとの間の正方向電力を最大化するためのものである。これらの技術は、敏捷なＲＦ電源（ＲＦ電力発生装置と称する）のサーボチューニングのためのフィードフォワード制御を含む。上記フィードフォワード制御により、ＲＦ電力システム内の歪み（あるいは乱れ）を補正する。上記歪みは、マッチングネットワークへの電力伝送量および／またはマッチングネットワークからの反射電力に直接関連し、負荷インピーダンスの変化を生じさせる。
【００４０】
本明細書に開示する技術では、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせて用いる。上記フィードフォワード制御は歪みを最小化するために用いられ、上記フィードバック制御は電力増幅器の出力電力の誤差を最小化するために用いられる。上記フィードバック制御は、電力増幅器の出力と予め設定された電力設定値との差に基づいて電力増幅器の出力電力を調整する。上記フィードフォワード制御は、上記フィードバック制御（およびフィードバック伝達関数）に関する閉ループ特性に影響を与えない。
【００４１】
フィードバック制御は出力電力の誤差がゼロではない場合の誤差補正に制限されるので、フィードフォワード制御を行う。このことは、フィードバック制御部の歪みを最小化する能力を制限する。フィードフォワード制御は、上記誤差がゼロであるか否かにかかわらず歪みを最小化する。また、フィードフォワード制御は、予め設定された電力設定値に対応するインピーダンスと無関係に歪み補正を行う点がフィードバック制御と異なっている。
【００４２】
本明細書に開示するフィードフォワード制御は、ＲＦ電力システムの歪みを検出して補正する工程を含む。上記フォードフォワード制御により、フィードバック制御を補ってＲＦ電力システムの全体的な制御性能を改善できる。
【００４３】
図１は、ＲＦ電力システム１０を示している。ＲＦ電力システム１０は、ＲＦ発生装置１２、マッチングネットワーク１４、およびマッチングネットワーク１４の負荷１６を含んでいる。ＲＦ発生装置１２は、マッチングネットワーク１４に供給するためのＲＦ電力信号１７を生成する。マッチングネットワーク１４は、マッチングネットワーク１４の入力インピーダンスをＲＦ発生装置１２とマッチングネットワーク１４との間の伝送路１８の特性インピーダンスと整合（マッチング）させる。他の方法として、マッチングネットワーク１４が負荷１６のインピーダンスをＲＦ発生装置１２の出力によって特定されるインピーダンスに整合させるようにしてもよい。マッチングネットワーク１４および負荷１６は、ＲＦ発生装置１２の負荷とみなすこともできる。負荷１６は、例えば、他のプラズマチャンバあるいは他のＲＦ負荷であってもよい。負荷１６のインピーダンスは、静的（時間に応じて変化しない特性）であってもよく、動的（時間に応じて変化する特性）であってもよい。
【００４４】
ＲＦ発生装置１２は、ＲＦ電源２０（あるいは電力増幅器）と、フィードバックループ２２とを備えている。電力増幅器２０は、マッチングネットワーク１４に出力するためのＲＦ電力信号１７を生成する。出力増幅器２０が、電力増幅器２０の外部に備えられる電源２４から受信した電力信号に基づいてＲＦ電力信号１７を生成するようにしてもよい。なお、電源２４をＲＦ発生装置１２の一部として示しているが、電源２４はＲＦ発生装置１２の外部に備えられるものであってもよい。電源２４は、例えば、直流電源（ＤＣ）であってもよい。
【００４５】
フィードバックループ２２には、１または複数のセンサ（第１センサ）２６、スケーリングモジュール２８、第１加算部３０、および電力制御モジュール３２が備られている。センサ２６は、例えば、電圧センサ、電流センサ、および／または方向性結合器センサを含んでいてもよい。センサ２６は、（ｉ）電力増幅器２０の出力の電圧Ｖおよび電流Ｉ、および／または、（ｉｉ）電力増幅器２０および／またはＲＦ発生装置１２から出力される正方向電力（電源電力）ＰＦＷＤおよびマッチングネットワーク１４から受け取った逆方向電力（反射電力）ＰＲＥＶを検出する。電圧Ｖ、電流Ｉ、正方向電力ＰＦＷＤ、および逆方向電力ＰＲＥＶを、電力増幅器２０からの出力の実際の電圧、電流、正方向電力、および逆方向電力を測定および／またはフィルタリングすることによって得るようにしてもよい。センサ２６は、アナログであってもよく、デジタルであってもよい。デジタルのセンサ２６を用いる場合、当該センサ２６は、アナログからデジタルへの変換処理（Ａ／Ｄ変換処理）を行う部材、および、対応するサンプリングレートで信号検出処理を行う部材を備えていてもよい。
【００４６】
センサ２６は、センサ信号３３を生成してスケーリングモジュール２８に伝達する。スケーリングモジュール２８は、センサ信号２６を換算して電力フィードバック信号３４を生成する。電力フィードバック信号３４はセンサ信号３３および換算行列に基づいて生成される。電力フィードバック信号３４は、正方向電力を示すものであってもよい。電力フィードバック信号３４は、マッチングネットワーク１４に伝送されるＲＦ伝送電力、あるいは負荷電力Ｐｄを示すものであり、下記式（１）で表される。なお、Ｖは電力増幅器２０および／またはＲＦ発生装置１２からの出力電圧、Ｉは電力増幅器２０および／またはＲＦ発生装置１２からの出力電流を示しており、Θは電力増幅器２０の出力電圧Ｖおよび出力電流Ｉの位相差を示している。
【００４７】
【数１】
0005619864.tif 000002
【００４８】
第１加算部３０は、電力フィードバック信号３４と、電力設定値モジュール３８によって生成された、予め設定された電力設定値信号３６とを合計する。上記の予め設定された電力設定値信号３６から電力フィードバック信号３４を減算することによって誤差信号ｅｆｂを生成してもよい。
【００４９】
電力制御モジュール３２は、上記誤差信号ｅｆｂを受け取り、電力増幅器２０の出力電力を調整するための電力制御信号ｕｐｆｂを生成する。生成された電力制御信号ｕｐｆｂは電力増幅器２０に供給される。電力増幅器２０は、電力制御信号ｕｐｆｂに基づいてＲＦ電力信号１７を調整する。ＲＦ電力信号１７は連続波であってもパルス波であってもよい。本明細書に開示するサーボ制御では、ＲＦ電力信号１７は、サーボ制御に応じた更新速度のパルスであってもよい。電力制御モジュール３２は、ＰＩＤ（proportional integral derivative）制御器、および／またはデジタル直接合成（DDS; direct digital synthesis）部材であってもよい。また、電源制御モジュール３２は、関数Ｄｐｆｂ（ｚ）を用いる第１ＰＩＤ制御器であってもよい。電力制御信号ｕｐｆｂは、駆動信号であってもよく、ＤＣオフセットあるいは電圧軌跡、周波数、および位相を有していてもよい。ただし、電力制御信号ｕｐｆｂは、ＲＦ電力信号１７の周波数の調整は行わない。
【００５０】
ＲＦ発生装置１２は、第１フィードバックループ４０と第２フィードバックループ４２とを有している。第１フィードバックループ４０は、第１歪みモジュール４４と第１補正回路４６とを含む。第１歪みモジュール４４は、電力増幅器２０および／またはＲＦ発生装置１２の出力の歪みを示す歪み値ｄｔを決定する。第１歪み値ｄｔは、センサ信号３３および歪み関数に基づいて生成される。上記歪み関数については後述する。第１補正回路４６は、第１歪み値ｄｔに基づいて第１電力チューニング値（あるいは第１インピーダンスチューニング値）ｕｔｆｆを生成する。上記チューニング値ｕｔｆｆは、周波数応答のチューニングおよびインピーダンス調整のためにマッチングネットワーク１４に供給される。第１歪みモジュール４４は、シヌソイド関数および／または相互相関関数に基づいて第１歪み値ｕｔｆｆを決定する。
【００５１】
（シヌソイド関数）
本明細書では、動的な負荷（可変インピーダンスを有する負荷）を有するＲＦ電力システムにおいて電力伝送を最大化する処理を含む複数の技術を開示する。第１の技術は、図１〜図３に示すように、マッチングネットワーク１４に接続されたＲＦ電源２０を用いる。マッチングネットワーク１４は、可変チューニング部材５２（例えば可変コンデンサ）を２つ以上有するインピーダンス整合回路５０を備えている。可変チューニング部材５２は、Ｌ型回路（ＲＦ発生装置１２に並列に接続されたコンデンサと負荷１６に直列に接続されたコンデンサとを有する回路）に備えられていてもよい。可変チューニング部材５２は、マッチングネットワーク１４のチューニングパラメータおよび負荷パラメータを調整するために用いられるものであり、それぞれチューニング入力部５４および負荷入力部５６に対応している。チューニングパラメータおよび負荷パラメータは、マッチングネットワーク１４において可変チューニング部材５２によって実行されるインピーダンス調整に用いられる。例えば、チューニングパラメータおよび負荷パラメータは、マッチングネットワーク１４に備えられる各コンデンサのキャパシタンスに対応するものであってもよい。
【００５２】
第２の技術は、図２および図４に示すように、第１の技術に加えて、あるいは第１の技術と組み合わせて、電力増幅器２０の可変周波数を調整する処理を行う。第２の技術を用いる場合、チューニングパラメータおよび負荷パラメータは、固定してもよく、個別に選択可能にしてもよく、調整可能にしてもよい。
【００５３】
上記第１の技術および上記第２の技術の両方において、電力増幅器２０からマッチングネットワーク１４に伝送されるＲＦ伝送電力Ｐｄは最大化される。このことは、マッチングネットワーク１４への正方向電力ＰＦＷＤが最大である場合、および／または、マッチングネットワーク１４からの逆方向電力ＰＲＥＶが最小である場合に生じる。ＲＦ伝送電力Ｐｄは、下記式（２）で表される。また、最大伝送ＲＦ電力ＰＭＡＸは、下記式（３）で表される。
【００５４】
【数２】
0005619864.tif 000003
【００５５】
【数３】
0005619864.tif 000004
【００５６】
ＲＦ伝送電力Ｐｄは、ＲＦ電力システム１０が反応性負荷あるいは反応性インピーダンス（例えば負荷１６）に供給する電力についての位相Θが系統的にゼロに近接する場合に最大化される。反応性インピーダンスは、インピーダンスが変化する負荷とも言える。上記第１の方法および上記第２の方法では、マッチングネットワークの同調パラメータあるいは負荷パラメータを調整することによって位相Θを最小化する。位相Θは反応性インピーダンスに依存するので、位相Θの減少量は電力増幅器２０の周波数ｆの関数で表される。その結果、上記の周波数ｆの関数に応じて位相が減少する。換言すれば、電力増幅器２０の周波数ｆ（電力増幅器２０の出力周波数ｆ）を調整することにより位相Θを減少させること、あるいは０に近づけることができる。周波数の調整は図２および図４の構成によって実現される。
【００５７】
上記第１の方法および上記第２の方法は位相Θを最小化するために用いることができるが、これら両技術では位相Θを直接検出したり直接調整したりはしない。上記両技術は、ｃｏｓ（Θ）（本明細書では「余弦関数」と称する）、１−ｓｉｎ２Θ（本明細書では「正弦関数」と称する）、および／または他の１次関数、および／またはシヌソイド関数を決定する工程を含む。上記位相Θは２次関数とも呼ばれる。上記第１歪み値ｄｔは、第１歪みモジュール４４により、上記位相Θを決定する処理を行うことなくベクトル演算を用いて決定される。上記第１歪み値ｄｔは、ゼロであってもよく、および／または、シヌソイド関数によって表されるものであってもよい。
【００５８】
一例として、２つの互いに独立した変数Ｘ，Ｙに関する上記余弦関数ｃｏｓ（Θ）は、例えば下記式（４）で表される。ここで、Ｘは電圧あるいは逆方向電力、Ｙは電流あるいは正方向電力、＜ＸＹ＞はＸとＹとの内積を表す。
【００５９】
【数４】
0005619864.tif 000005
【００６０】
上記正弦関数１−ｓｉｎ２Θは下記式（５）または下記式（６）に基づいて決定される。
【００６１】
【数５】
0005619864.tif 000006
【００６２】
【数６】
0005619864.tif 000007
【００６３】
本明細書で開示する技術の１つは、上記余弦関数ｃｏｓ（Θ）を最大化することによってマッチングネットワーク１４に伝送する電力を最大化する工程を含む。例えば、変数ＸおよびＹを電圧Ｖおよび電流Ｉに置き換えてもよく、電力増幅器２０の周波数ｆを制御するために閉形式解を直接用いてｃｏｓ（Θ）を計算してもよい。上記余弦関数は伝送される電力を最大化するために最大化される。この技術は、例えば、デジタル回路および／またはＰＩＤ制御器を用いてデジタル方式で実行される。
【００６４】
アナログ方式を用いる技術例では、正方向電流ＰＦＷＤおよび逆方向電力ＰＲＥＶを検出する方向性結合器センサを用いる。式（４）の変数Ｘを逆方向電力ＰＲＥＶに置き換え、式（４）の変数Ｙを正方向電力ＰＦＷＤに置き換えてもよい。伝送路１８の反射係数Γは逆方向電力ＰＲＥＶおよび正方向電力ＰＦＷＤの関数で表される。上記反射係数Γは、逆方向電力ＰＲＥＶを正方向電力ＰＦＷＤで除算した式、および／または、式（７）によって表される。式（７）において、ｚｌはＲＦ発生装置１２の負荷（すなわちマッチングネットワーク１４および負荷１６）を示しており、ｚ０は伝送路１８のインピーダンスを示している。
【００６５】
【数７】
0005619864.tif 000008
【００６６】
本明細書に開示する技術において、伝送電力を最大化するためにＲＦ電源（電力増幅器２０）の敏捷な周波数を自律的にサーボ制御するようにしてもよい。サーボ制御はフィードバック制御とフィードフォワード制御とを含むが、本明細書において用いるフィードバック制御はマッチングネットワーク１４への伝送電力を迅速に最大化することを目的としている。これらの技術はＲＦ電力システム（ＲＦ電力システム１０）の歪みを決定する工程と、ベクトル演算を用いてフィードフォワード補正を行う工程とを含む。上記歪みは、位相Θのシヌソイド関数に直接的に関連する負荷インピーダンスの反応的な変化に起因する反射電力を示す。
【００６７】
（相互相関関係）
シヌソイド関数を用いる工程に代えて、および／またはシヌソイド関数を用いる工程に加えて、第１歪み値ｄｔを決定するために相互相関関数を用いてもよい。信号ｓ（ｔ）のエネルギはベクトル演算法を用いた式（８）によって表される。式（８）におけるｔは時間である。
【００６８】
【数８】
0005619864.tif 000009
【００６９】
負荷インピーダンスの変化あるいは負荷のアーク外乱に関するエネルギを計算するために、ＲＦ電力システムは２つのパラメータに基づいて上記エネルギを表す。上記２つのパラメータをＲＦセンサ（センサ２６など）からの信号に基づいて決定してもよい。上記センサとしては、例えば、伝送路の電圧、電流、および／または電力を検出するための電圧センサ、電流センサ、あるいは方向性結合器センサなどを用いることができる。ＲＦセンサからの信号は、振動する連続時間信号であり、変数ｘおよびｙに対応するｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）として表される。これらの振動する連続時間信号に対応するデジタル形式の信号はｘ（ｎ）およびｙ（ｎ）と表される。信号ｘ（ｎ）およびｙ（ｎ）の離散時間相互相関値ｒｘｙ（τ）は、式（９）によって表される。式（９）において、μｘは信号ｘ（ｎ）の平均値を示し、μｙは信号ｙ（ｎ）の平均値を示し、τは信号ｘ（ｎ）と信号（ｙ）とが重なる時間および／または信号ｘ（ｎ）と信号（ｙ）とが切り替わる時間を示す。
【００７０】
【数９】
0005619864.tif 000010
【００７１】
τが０である場合、２つの信号ｘ（ｎ）およびｙ（ｎ）に対応する電力ｐを決定できる。上記の２つの信号ｘ（ｎ）およびｙ（ｎ）は、τが０である場合には完全に重なる。インピーダンスの変化が生じた場合のエネルギＥｘｙは式（１０）に示すように電力ｐの関数になる。なお、式（１０）において、ｂはブロック番号を示し、Ｔｂは各ブロックの持続時間を示し、Ｋは上記の２つの信号ｘ（ｎ）およびｙ（ｎ）のサンプルが重ならないブロックの合計を示し、ｋは現在のブロックおよび／またはサンプルを示している。
【００７２】
【数１０】
0005619864.tif 000011
【００７３】
内積＜ｘｙ＞はτが０である場合の相互相関値に基づいて決定されてもよい。内積＜ｘｙ＞はτが０である場合の相互相関値に直接的に関連する。電力ｐ（あるいはＰｄ）は、式（４）に式（２）を代入して得られる内積＜ｘｙ＞に関連する。シヌソイド関数の歪み値（例えば、上記余弦関数あるいは上記正弦関数）が、離散時間相互相関値ｒｘｙ（τ）、電力ｐ（Ｐｄ）、および内積＜ｘｙ＞に基づくベクトル演算により決定される。
【００７４】
第１歪みモジュール４４は、τが０でない場合の離散時間相互相関値ｒｘｙ（τ）に基づいて第１歪み値ｄｔを決定する。上記第１歪みモジュール４４は、τが０である場合には離散時間相互相関値ｒｘｙ（τ）に基づいて第１歪み値ｄｔを決定しない。上述したように、この相互相関技術は、伝送路１８の特性を示す２つの広帯域信号ｘ（ｔ）（例えばＶあるいはＰＲＥＶ）とｙ（ｔ）（例えばＩあるいはＰＦＷＤ）との間のシヌソイド関数を引き出すために用いられる。
【００７５】
上記シヌソイド関数は、後述するように、可変周波数ＲＦ電源の電力伝送を最大化するための自律制御に用いられる。上記シヌソイド関数は、ＲＦ電源（あるいは電力増幅器）の伝送電力が最大伝送電力よりも小さい場合に電力調整に影響を与える歪みを補正するためのフィードフォワード制御に用いられる。上記の補正は、調波歪みあるいは相互変調歪みに起因するスペクトル障害の影響を受けない。このため、上記技術は、所定の更新間隔（例えば１μｓ未満）毎に所定の期間（例えば３μｓ未満）内でＲＦ電源の周波数チューニング応答が要求される動的な負荷条件およびＲＦ電力アプリケーションに有用である。ＲＦ電源の周波数チューニングは、主に図２および図４に示されている。
【００７６】
図１に示したように、ある実施例では、第１補正回路４６は、第１入力モジュール６０、第２加算部６２、およびチューニング制御モジュール６４（あるいはＤｔｆｆ（ｚ））を備えている。第１入力モジュール６０は、第１所定値（例えば、歪み値ｄｔを上記正弦関数に応じて決定する場合には０、歪み値ｄｔを上記余弦関数に応じて決定する場合には１）を生成する。上記第２加算部６２は、チューニング値あるいは第１補正値ｃｔを生成するために上記第１所定値から上記第１歪み値ｄｔを減算する。上記チューニング制御モジュール６４は、第２ＰＩＤ制御器を備えており、上記第１補正値ｃｔに基づいて電力チューニング値（あるいは第１インピーダンスチューニング値）ｕｔｆｆを生成する。チューニング制御モジュール６４は、第１歪み値ｄｔを第１所定値に整合（マッチング）させるように上記電力チューニング値ｕｔｆｆを調整する構成であってもよい。上記チューニング制御モジュール６４が、上記第１所定値を生成および／または受信を行うようにしてもよい。
【００７７】
上記第２フィードフォワードループ４２は、第２歪みモジュール７０と、第２補正回路７２とを備えている。上記第２歪みモジュール７０は、センサ信号３３および第２歪み関数に基づいて大きさの比率（あるいは第２歪み値）ｄｌを決定する。上記第２歪み関数は式（１１）で表される。
【００７８】
【数１１】
0005619864.tif 000012
【００７９】
上記第１歪み値ｄｔおよび上記第２歪み値ｄｌに基づいて、センサ３３によって測定された歪みの指標および／または関連するパラメータがそれぞれ生成される。
【００８０】
上記第２補正回路７２は、負荷設定値モジュール７６、第３加算部７８、および負荷制御モジュール８０（関数Ｄｌｆｆ（ｚ）で示される）を備えている。上記負荷設定値モジュール７６は所定の負荷設定値（例えば５０Ω）を生成する。上記第３加算部７８は、上記負荷設定値から上記第２歪み値ｄｌを減算することにより負荷補正値（第２補正値）ｃｌを生成する。
【００８１】
負荷制御モジュール８０は、第３ＰＩＤ制御器を備え、上記第２補正値ｃｌに基づいて電力負荷値（あるいは第２インピーダンスチューニング値）ｕｌｆｆを生成する。上記負荷制御モジュール８０は、第２歪み値ｄｌを負荷設定値に整合（マッチング）させるように電力負荷値ｕｌｆｆを調整する。上記負荷制御モジュール８０が、負荷設定値を生成および／または受信を行うようにしてもよい。
【００８２】
上記チューニング制御モジュール６４および上記負荷制御モジュール８０は、矢印８２で示すように、互いに接続されている。上記矢印８２は、マッチングネットワーク１４のチューニング入力部５４と負荷入力部５６とが相互に接続されていることを示している。上記電力負荷値ｕｌｆｆは、上記電力チューニング値ｕｔｆｆが上記チューニング制御モジュール６４によって直接的に調整された場合にその影響を受ける（間接的に調整される）。同様に、上記電力チューニング値ｕｔｆｆは、上記電力負荷値ｕｌｆｆが上記負荷制御モジュール８０によって直接的に調整された場合にその影響を受ける（間接的に調整される）。上記チューニング入力部５４および負荷入力部５６は、上記電力チューニング値ｕｔｆｆおよび上記電力負荷値ｕｌｆｆによってそれぞれ調整される。
【００８３】
マッチングネットワーク１４は、第２センサ９０を備えている。第２センサ９０は、チューニング入力部５４および負荷入力部５６の調整を行うためにインピーダンス整合回路５０によって用いられる、位相および大きさセンサを含んでいてもよい。インピーダンス整合回路５０が、負荷１６およびマッチングネットワーク１４のインピーダンスを電力増幅器２０および／またはＲＦ発生装置１２によって伝送路１８のインピーダンスに整合させるようにチューニング入力部５４および負荷入力部５６を調整するようにしてもよい。チューニング入力部５４および負荷入力部５６は、ＲＦ電力信号１７の位相が０になり、マッチングネットワーク１４のインピーダンスが所定インピーダンス（例えば５０Ω）になるまで調整される。これは、逆方向電力ＰＲＥＶを最小化してマッチングネットワーク１４に伝送される電力を最大化するためである。第２センサ９０は、伝送路１８に電気的に接続されてＲＦ電力システム１０の上記歪み（あるいはＰＲＥＶ）を検出するために用いられてもよい。インピーダンス整合回路５０による第２センサ９０の出力に基づくチューニング調整および負荷調整は、必ずしも伝送電力を厳密に最大化するものでなくてもよく、伝送電力を最大化するためにフィードフォワードループ４０，４２が用いられる。
【００８４】
第２センサ９０は、逆方向電力ＰＲＥＶの関数としてＲＦ電力システム１０の歪みを測定するために、マッチングネットワーク１４の出力部ではなく入力部に配置されている。インピーダンスマッチング回路５０が、マッチングネットワーク１４と伝送路１８との間のインピーダンスの不整合（ミスマッチ）を補正するためのフィードフォワード整合補正ｕｍｆｆを適用するようにしてもよい。電力制御モジュール３２およびマッチングネットワーク１４（および／またはマッチングネットワーク１４の制御部）によって補正された伝送電力は、これらの制御部によって生成される補正値の合計として解析的に表される。上記合計は、式（１２）で表される。なお、式（１２）におけるｕは合計歪み係数である。
【００８５】
【数１２】
0005619864.tif 000013
【００８６】
チューニング制御モジュール６４は歪み補正値ｕｔｆｆを生成してチューニング入力部５４に出力し、負荷制御モジュール８０は歪み補正値ｕｌｆｆを生成して負荷入力部５６に出力する。マッチング補正値ｕｍｆｆは、式（１３）に示すように、これらの歪み補正値の加算で表される。
【００８７】
【数１３】
0005619864.tif 000014
【００８８】
マッチングネットワーク１４の上記歪みを補正しなければ、フィードバック制御がフィードフォワード制御なしで行われ、ＲＦ電力システム１０において損失が発生する。第２センサ９０は、逆方向電力ＰＲＥＶを測定するために伝送路１８に接続されていてもよい。マッチングネットワーク１４は、全ての歪みを補正する必要はなく、フィードフォワードループ４０，４２を介して他のフィードフォワード制御を行うようにしてもよい。マッチングネットワーク１４が逆方向電力ＰＲＥＶに基づいてチューニング入力部５４および負荷入力部５６を調整するようにしてもよい。マッチングネットワーク１４によって行われる上記歪み補正は、モデルの欠陥および／または測定誤差によって制限されて逆方向電力ＰＲＥＶを０にできない場合がある。フィードフォワードループ４０，４２によって行われる上記のフィードフォワード補正により、上記歪みの更なる補正を行い、逆方向電力ＰＲＥＶを０に減少させる。
【００８９】
ＲＦ電力システム１０に組み込まれるセンサの数を減らすために、上記第１センサあるいは上記第２センサを省略してもよい。ＲＦ電力システム１０に含まれる残りのセンサおよびそれに対応する信号、および／またはパラメータ発生装置がＲＦ発生装置１２およびマッチングネットワーク１４にアクセス可能になっている。例えば、ＲＦ発生装置１２内の電力配分のフィードフォワード補正により、センサと制御部の統合が達成される。
【００９０】
（ＲＦ電源の自律制御）
信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）の位相は式（１４）に示す関係を有している。式（１４）において、Ｗは内積＜ＸＹ＞と等価である。
【００９１】
【数１４】
0005619864.tif 000015
【００９２】
フィードフォワード補正の根拠となる歪みを表すために上記余弦関数が用いられる。このフィードフォワード補正は、余弦関数の歪み値を決定するために用いられるセンサが（ｉ）電圧および電流センサ、あるいは（ｉｉ）方向性結合器センサである場合に用いられる。例えば、電流電圧信号は負荷インピーダンスが伝送路１８の特性インピーダンスに整合するときの位相である。同様に、正方向電力および逆方向電力を示す信号の位相は負荷インピーダンスが伝送路１８の特性インピーダンスと整合するときの位相である。
【００９３】
逆方向電力ＰＲＥＶの正方向電力ＰＦＷＤに対する比である複素反射係数Γに基づいて、逆方向電力ＰＲＥＶと正方向電力ＰＦＷＤとの間の位相差の最小化および／または０への削減が行われる。電圧および電流センサを用いる場合、電圧と位相信号との間の位相差の最小化および／または０への削減が行われる。これにより、式（１５）で表される制御方式が導き出される。式（１５）において、ｃｏｓ（Θ）ｄは要求値あるいは予め設定される所定値であり、ｃｏｓ（Θ）ａは実測値および／または算出値を示している。
【００９４】
【数１５】
0005619864.tif 000016
【００９５】
センサ値間の位相差の最小化により、歪みを最小化および／または０に削減することができる。
【００９６】
方向性結合器センサを用いる場合、スミスチャートのアドミタンスグリッドから初期コンダクタンス円にオフセットが生じる。上記の初期コンダクタンス円は、スミスチャートの複素反射係数グリッドにおける原点を通る円である。図５Ａ，図６Ａ，図７Ａ，および図８Ａは、上記初期コンダクタンス円の一部を示している。マッチングネットワーク１４の負荷は、チューニング入力５４が反射係数Γによって調整される場合に、スミスチャートにおけるコンダクタンス円に従って原点を通る単一の円にマッピングされるように設定される。原点では、マッチングネットワーク１４のインピーダンスは伝送路１８の特性インピーダンスと整合する。
【００９７】
他の例として、インピーダンスおよび／または反射係数Γが、反射係数Γの複素平面におけるスミスチャートの実軸点と交差するように電力増幅器２０の周波数をサーボ制御してもよい。電力増幅器２０の周波数調整については後述する図２および図４に示す。方向性結合器センサの実装については、上記位相差を±πに調整する。余弦関数の対称性の利点を活かすために、制御法則を式（１６）によって表されるように変更してもよい。
【００９８】
【数１６】
0005619864.tif 000017
【００９９】
電圧および電流センサの実装については、初期コンダクタンスの円は原点と交差しなくてもよく、ＲＦ電力システム１０および整合される負荷の系統的な変化により回転オフセットを示さなくてもよい。余弦関数をゼロでない値に減少させてｃｏｓ（Θ）ｄ−ｃｏｓ（Θ）ａに小さな誤差が生じてもよい。
【０１００】
例えば、最大伝送電力状態の探索では、原点までの距離を最小化して原点に到達することを保証するようにコンダクタンスの円に沿った軌道に従ってフィードフォワード制御を行う。フィードフォワード制御がＸおよびＹの大きさの比率を決定する処理を含む余弦関数を測定するためのベクトル演算の利用を含んでいるので、方向性の定量的測定を行える。上記の大きさの比率は、方向性の定量的測定を提供する。方向性は、歪みが増加するか減少するかにかかわらず、補正値が調整される方向であるチューニング方向を示す。
【０１０１】
余弦関数に代えて正弦関数を用いる場合にも方向性を測定できる。余弦関数は方向性を示さないが、正弦関数を求め、正弦関数の出力を０と比較し、余弦関数の出力を１と比較することにより方向性を測定できる。方向性を算出するために式（１３）を後述するように変更する。ｃｏｓ２（Θ）を算出するために式（４）の両辺を２乗する。正弦関数の２乗（ｃｏｓ２（Θ））は、１から正弦関数の２乗を減算した値（１−ｓｉｎ２（Θ））に等しい。このため、式（１６）によって示された制御法則を、式（１７）のように変形することができる。
【０１０２】
【数１７】
0005619864.tif 000018
【０１０３】
方向性結合器センサを用いる場合、上記の大きさの比率を最小値に低減するようにマッチングネットワーク１４のインピーダンスおよび／または電力増幅器２０の周波数が調整される。上記の大きさの比率の減少は、上記インピーダンスおよび／または周波数の調整が最大伝送電力に最短経路に沿って向かう傾向であることを示す。上記の大きさの比率の決定に加えて、および／または上記の大きさの比率の決定に代えて、逆方向電力ＰＲＥＶの大きさの監視および最小化を行ってもよい。電圧および電流センサを用いる場合、上記インピーダンスおよび／または上記周波数の調整は、上記の大きさの比率が伝送路１８の特性インピーダンスに応じた傾向になるように行われる。
【０１０４】
本明細書では、ＲＦセンサの出力の大きさの比率およびＲＦセンサの出力に基づくシヌソイド演算に基づいてサーボ制御を行う部材を用いて電力のミスマッチを補正する技術を提供する。デジタルサンプリングシステムにおける更新速度は機械的な調整を行う回路部材よりも速いが、周波数調整可能な電源にアナログ部材を用いてもよい。
【０１０５】
チューニング入力部５４および負荷入力部５６の調整に代えて、あるいはチューニング入力部５４および負荷入力部５６の調整に加えて、電力増幅器２０の周波数を所定の周波数範囲内で調整してもよい。フィードフォワード制御を用いてフィードバック電力制御を補足することにより、敏捷な周波数制御を実現できる。ＲＦ発生装置１２の負荷インピーダンスが変化する場合、電力制御モジュール３２は、この変化を補正できなくてもよく、および／または、この変化の補正に制限されなくてもよい。シヌソイド関数を決定することにより、インピーダンスの乱れによって生じる歪みの評価が決定される。負荷の変化に対する更なる補正を行うために、電力増幅器の周波数駆動、および／またはＲＦ電力信号の周波数を、シヌソイド関数に基づいて負荷の反応性歪みに対抗するように調整してもよい。この点については、図２から図４に基づいて後で詳細に説明する。
【０１０６】
図２には、ＲＦ電力システム１００が示されている。ＲＦ電力システム１００は、ＲＦ発生装置１０２と、マッチング回路５０および第２センサ９０を有するマッチングネットワーク１４と、負荷１６とを備えている。ＲＦ発生装置１０２は、ＲＦ電力信号１０４を生成してマッチングネットワーク１４に供給する。ＲＦ発生装置１０２は、ＲＦ電源（あるいは電力増幅器）１０６とフィードバックループ２２とを備えている。電力増幅器１０６はＲＦ電力信号１０４を生成してマッチングネットワーク１４に出力する。電力増幅器１０６は、（ｉ）、電力増幅器１０６の外部に備えられた電源２４から受信した電力信号、および／または（ｉｉ）周波数チューニング値ｕｆｆｆに基づいてＲＦ電力信号１０４を生成する。電源２４は、例えば、直流（ＤＣ）電源であってもよい。
【０１０７】
フィードバックループ２２は、センサ２６、スケーリングモジュール２８、第１加算部３０、および電力制御モジュール３２を備えている。センサ２６は、センサ信号３３を生成してスケーリングモジュール２８に出力する。スケーリングモジュール２８は、センサ信号３３を測定して電力フィードバック信号３４を生成する。電力フィードバック信号３４は、センサ信号３３と上記換算行列とに基づいて生成される。第１加算部３０は、電力フィードバック信号３４と、電力設定値モジュール３８によって生成される所定電力設定値信号３６とを加算する。上記所定電力設定値信号３６から電力フィードバック信号３４を減算することにより誤差信号ｅｆｂを生成してもよい。
【０１０８】
電力制御モジュール３２は、上記誤差信号ｅｆｂを受信し、電力増幅器１０６の出力電力を調整するために電力制御信号ｕｐｆｂを生成する。電力増幅器１０６は、電力制御信号ｕｐｆｂおよび周波数チューニング信号ｕｆｆｆに基づいてＲＦ電力信号１０４を調整する。ＲＦ電力信号１０４は、周波数チューニング値ｕｆｆｆに基づいて設定される周波数を有するパルス波であってもよい。
【０１０９】
ＲＦ発生装置１２は、第１フィードフォワードループ４０、第２フィードフォワードループ４２、および第３フィードフォワードループ１１０を備えている。ＲＦ電力システム１０は、第３フィードフォワードループ１１０を備える一方、第１フィードフォワードループ４０、第２フィードフォワードループ４２を備えない構成であってもよく、図示したように第１フィードフォワードループ４０、第２フィードフォワードループ４２、および第３フィードフォワードループ１１０を備える構成であってもよい。第１フィードフォワードループ４０は、第１歪みモジュール４４と、第１入力モジュール６０、第２加算部６２、およびチューニング制御モジュール６４を有する第１補正回路４６とを備えている。第２フィードフォワードループ４２は、第２歪みモジュール７０と、負荷設定値モジュール７６、第３加算部７８、および負荷制御モジュール８０を有する第２補正回路７２とを備えている。
【０１１０】
第３フィードフォワードループ１１０は、フィードバックループとして図示されているが、フィードフォワードループとして機能し、フィードフォワード機能を実行するので、本明細書ではフィードフォワードループと称する。第３フィードフォワードループ１１０は、ＲＦ電力信号１０４の周波数調整に用いられる周波数チューニング値ｕｆｆｆを生成する。ＲＦ電力信号１０４の周波数を調整することにより、マッチングネットワーク１４の周波数応答が変化してマッチングネットワーク１４のインピーダンスが変更される。これらのインピーダンス変化は、逆方向電力ＰＲＥＶおよび伝送電力Ｐｄに影響を及ぼすマッチングネットワーク１４と伝送路１８との間のインピーダンス整合に影響を及ぼす。
【０１１１】
第３フィードフォワードループ１１０は、第１歪みモジュール４４と第３補正回路１１２とを備えている。第３補正回路１１２は、第２入力モジュール１１４と、第４加算部１１６と、関数Ｄｆｆｆ（ｚ）で表される周波数制御モジュール１１８とを備えている。第２入力モジュール１１４は、第３所定値（例えば１）を生成する。第４加算部１１６は、第３所定値から歪みチューニング値ｄｔを減算して第３補正値ｃｆを生成する。周波数制御モジュール１１８は第４ＰＩＤ制御器を備えており、第３補正値ｃｆに基づいて周波数チューニング値ｕｆｆｆを生成する。周波数制御モジュール１１８は、第１歪み値ｄｔを第３所定値に整合させるように周波数チューニング値ｕｆｆｆを調整する。周波数制御モジュール１１８は第３所定値を生成および／または受信する。
【０１１２】
図１に示したＲＦ電力システム１０は、様々な方法で動作させることができる。例えば、図３の方法によってＲＦ電力システム１０を動作させてもよい。図３は、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を行う場合の例を示している。なお、以下では主に図１の構成を用いる場合について説明するが、本明細書に開示する他の構成に適合するように適宜変更してもよい。この方法は、反復して行われてもよく、上述した方法で行われてもよい。この方法はステップ２００から始まる。
【０１１３】
ステップ２０２では、電力増幅器２０が、電力制御信号ｕｐｆｂに基づいてＲＦ電力信号１７を生成する。ステップ２０４では、センサ２６が電圧Ｖ、電流Ｉ、逆方向電力ＰＲＥＶ、および／または正方向電力ＰＦＷＤを検出し、検出結果に応じたセンサ信号３３を生成する。
【０１１４】
ステップ２０６では、スケーリングモジュール２８が電力フィードバック信号３４を生成するためにセンサ信号３３の測定および／またはフィルタリングを行う。上記の測定処理および／またはフィルタリング処理は、移動平均を用いるものであってもよい。スケーリングモジュール２８は、２項の有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを備えている。スケーリングモジュール２８は、ヘテロダインフィルタ処理を行うものであってもよい。ステップ２０８では、第１加算部が電力設定値信号３６と電力フィードバック信号３４とを合計して誤差信号ｅｆｂを生成する。
【０１１５】
（キャリブレーション）
図１および図２に示したように、センサ２６によって生成される信号は、センサの種類にかかわらず、スケーリングモジュール２８によって位相が補正された信号になる。信号Ｘと信号Ｙとの間のシステム上の誤差ξは、三角関数、あるいは式（１８）および式（１９）を用いて決定される。なお、Θは信号Ｘと信号Ｙとの間の位相差を示している。
【０１１６】
【数１８】
0005619864.tif 000019
【０１１７】
【数１９】
0005619864.tif 000020
【０１１８】
上記のシステム上の誤差ξは、既知の位相角についての複数のインピーダンスの最小二乗近似に基づいて決定される。ｓｉｎ（Θ）およびｃｏｓ（Θ）の量は測定された歪みの量であり、いずれもキャリブレーションに用いられる。
【０１１９】
（フィルタリング）
ヘテロダインフィルタ処理を行う場合、スケーリングモジュール２８は、複数の周波数スペクトラムの中から注目周波数を抽出（シヌソイド関数抽出）するアナログ実装法であるデジタルヘテロダイン法を用いる。この方法は、ベクトル演算技術を用いる方法とは異なるシヌソイド関数抽出を含む。上記注目周波数は、ＲＦ電源あるいはＲＦ発生装置（例えばＲＦ発生装置１２あるいはＲＦ発生装置１０２）の周波数である。
【０１２０】
まず、ベクトル演算に基づく方法とシヌソイド関数法との違いについて説明する。デジタル機構では、ｓｉｎ（Θ）およびｃｏｓ（Θ）を決定するベクトル演算法は、演算対象のサンプルのブロックを取得し、その後、キャリブレーション（例えば上述したキャリブレーション）を行う。ベクトル演算法は、周波数スペクトラムが他の周波数によって悪影響を受けない場合、広帯域に利用できる。広帯域のスペクトラムに注目周波数と歪み測定（例えばｓｉｎ（Θ）およびｃｏｓ（Θ）の測定）を阻害する他の周波数とが含まれる場合には、ヘテロダイン法を用いてもよい。
【０１２１】
ヘテロダイン法を用いる場合に生じる出力信号あるいは注目周波数を示す信号をサンプリングしてもよい。上記のサンプルは、ベクトル演算法を用いて歪みを算出するために用いられる。ヘテロダイン法によって直角位相信号（実数成分（Ｉ）と虚数成分（Ｑ）とからなる複素形態で表される信号）が生成される場合、歪みをより直接的に測定するようにしてもよい。
【０１２２】
一般的な形態では、センサ２６のうちの１つによって生成されたセンサ信号のうちの１つから選択される注目周波数の代表である直角位相センサ信号ｘ[ｎ]は、ｘ[ｎ]＝｜Ｘ｜ｅｊ（ωｎＴ＋Θｘ）で表される。同様に、第２直交位相センサ信号ｙ[ｎ]はｙ[ｎ]＝｜Ｙ｜ｅｊ（ωｎＴ＋Θｙ）と表される。数学的に、これらの複素表現は、ｘ[ｎ]＝ｘｒ[ｎ]＋ｊｘｉ[ｎ]とも表現される。なお、実数量はｘｒ[ｎ]＝｜Ｘ｜ｃｏｓ（ωｎＴ＋θｘ）で定義され、虚数量はｘｉ[ｎ]＝｜Ｘ｜ｓｉｎ（ωｎＴ＋θｘ）で定義される。上述した歪みの決定処理（歪み法）がシヌソイド関数によって定量化される。位相ΘはΘｘとΘｙとの位相差を示す。注目周波数の複素表現および対応するセンサ信号より、直交位相センサ信号ｘ［ｎ］およびｙ［ｎ］の信号サンプルから歪みを直接決定することができる。以下に、コンピュータによって実数要素および虚数要素からこの情報を抽出する方法の例について説明する。
【０１２３】
分子項は、ｘ［ｎ］とｙ［ｎ］との積、ｙ［ｎ］の共役、および式（２０）によって得られる、
【０１２４】
【数２０】
0005619864.tif 000021
【０１２５】
によって表される。ここで、Θ＝Θｘ−Θｙである。
【０１２６】
【数２１】
0005619864.tif 000022
【０１２７】
分子項は分母項｜Ｘ｜｜Ｙ｜によって正規化される。分子項と分母項との比により、シヌソイド関数ｃｏｓΘ＋ｊｓｉｎΘが得られる。上述したように、ｘ［ｎ］およびｙ［ｎ］はセンサからの出力信号を示している。例えば、ｘ［ｎ］はＶ／Ｉセンサの電圧ポートを表し、ｙ［ｎ］は電流ポートを表す。その後、実数項（ｃｏｓΘ）および虚数項（ｓｉｎΘ）にキャリブレーションを適用する。図９Ａ〜図９Ｄに示した出力結果の例は、デジタルヘテロダインフィルタリング法および上述したシヌソイド関数を用いて得られた例である。
【０１２８】
ベクトル演算法とヘテロダインフィルタリング法との間に周波数チューニングに関する本質的な速度差はない。歪み量のベクトル演算を実行するためのサンプルの蓄積に要する時間は、直角位相の出力信号をヘテロダインフィルタ法で得るために要する時間とほとんど変わらない。
【０１２９】
ステップ２１０では、電力制御モジュール３２は、誤差信号ｅｆｂに基づいて電力制御信号ｕｐｆｂを生成する。ステップ２１２では、第１歪みモジュール４４がシヌソイド関数あるいは相互相関関数に基づいて第１歪み値ｄｔを決定する。第１歪み値ｄｔは、反応的な乱れあるいは歪みの測定可能な量である。ステップ２１４では、第２加算部６２が第１歪み値ｄｔおよび第２所定値に基づいて第１補正値（あるいはチューニング補正値）ｃｔを生成する。ステップ２１６では、チューニング制御モジュール６４が第１補正値ｃｔに基づいて電力チューニング値（あるいは第１インピーダンスチューニング値）ｕｔｆｆを生成する。
【０１３０】
ステップ２１８では、第２歪みモジュール７０が第２歪み値ｄｌを生成するための上記の大きさの比率を決定する。ステップ２２０では、第３加算部７８が、第２歪み値ｄｌおよび負荷設定値に基づいて第２補正値（あるいは負荷補正値）ｃｌを生成する。ステップ２２２では、負荷制御モジュール８０が、第２補正値ｃｌに基づいて電力負荷値（あるいは第２インピーダンスチューニング値）ｕｌｆｆを生成する。
【０１３１】
ステップ２２４では、マッチングネットワーク１４が、第１インピーダンスチューニング値ｕｔｆｆおよび第２インピーダンスチューニング値ｕｌｆｆに基づいてインピーダンス整合を実行する。ステップ２２６では、マッチングネットワーク１４から負荷１６にＲＦ電力を供給する。ステップ２２６の後にステップ２０２を実行してもよい。
【０１３２】
図２のＲＦ電力システム１００は、様々な方法で動作させることができ、例えば図４の方法によって動作させることができる。図４には、周波数ベースのインピーダンス整合フィードフォワード制御によりフィードフォワード制御およびフィードバック制御を行う方法が示されている。なお、以下では主に図２の構成に基づいて説明するが、本明細書に開示する他の構成に適用するように適宜変更してもよい。この方法は、反復して行われてもよく、上述した方法で行われてもよい。この方法はステップ２００から始まる。この方法は、反復して行われてもよい。この方法はステップ２００から始まる。
【０１３３】
ステップ２５２では、電力増幅器１０６が、電力制御信号ｕｐｆｂに基づいてＲＦ電力信号１０４を生成する。ステップ２５４では、センサ２６が、電圧Ｖ、電流Ｉ、逆方向電力ＰＲＥＶ、および／または正方向電力ＰＦＷＤを検出し、検出結果に応じたセンサ信号３３を生成する。
【０１３４】
ステップ２５６では、スケーリングモジュール２８が、センサ信号３３を測定して電力フィードバック信号３４を生成する。ステップ２５８では、第１加算部が電力設定値信号３６と電力フィードバック信号３４とを合計して誤差信号ｅｆｂを生成する。ステップ２６０では、電力制御モジュール３２が誤差信号ｅｆｂに基づいて電力制御信号ｕｐｆｂを生成する。
【０１３５】
ステップ２６２では、第１歪みモジュール４４が、シヌソイド関数あるいは相互相関関数に基づいて第１歪み値ｄｔを決定する。ステップ２６４では、第２加算部６２が、第１歪み値ｄｔと第１所定値とに基づいて第１補正信号ｃｔを生成する。ステップ２６６では、チューニング制御モジュール６４が、第１補正値ｃｔに基づいて電力チューニング値（あるいは第１インピーダンスチューニング値）ｕｔｆｆを生成する。
【０１３６】
ステップ２６８では、第２歪みモジュール７０が、第２歪み値ｄｌを生成するために上記の大きさの比率を決定する。ステップ２７０では、第３加算部７８は、第２歪み値ｄｌおよび第２所定値に基づいて第２補正値ｃｌを生成する。ステップ２７２では、負荷制御モジュール８０が、第２補正値ｃｌに基づいて電力負荷値（あるいは第２インピーダンスチューニング値）ｕｌｆｆを生成する。
【０１３７】
ステップ２７４では、第４加算部１１６が、第１歪み値ｄｔおよび第２所定値に基づいて第３補正値（あるいは周波数補正値）ｃｆを生成する。ＲＦ電力信号１０４の周波数ｆに対応する周波数補正値ｃｆ（例えば０とは異なる値）を、シヌソイド関数を用いて決定してもよい。上記歪みは、周波数ｆを、ＲＦ発生装置１０２の負荷のインピーダンスの変化によるシヌソイド関数の変化で除算した値として定義される。このことは、上記歪みと乱れが生じていないとき（すなわち、周波数補正値ｃｆが０であるとき）の周波数とを対比することにより定量化できる。
【０１３８】
ステップ２７６では、周波数制御モジュール１１８が、第３補正値ｃｆに基づいて電力周波数値（あるいは第３インピーダンスチューニング値）ｕｆｆｆ（あるいは補正の程度）を生成する。与えられたコンダクタンス円と負荷のリアクタンスの乱れについて、シヌソイド関数（あるいは余弦関数）が上記歪みの１ステップの補正に対するゲインＧｆでマッピングされる。ここで、式（１５）に示すように、周波数チューニング値ｕｆｆｆは周波数補正値ｃｆにゲインＧｆを乗算した値と等しい。
【０１３９】
【数２２】
0005619864.tif 000023
【０１４０】
周波数制御モジュール１１８は、歪みを相殺して伝送電力を最大にするために周波数補正の高頻度応答を行う。上記の高頻度応答に代えて、１ステップ補正手法を行ってもよい。上記の高頻度応答（動的応答）を行うために、ＰＩＤ制御器を用いてもよい。
【０１４１】
周波数制御モジュール１１８は、１ステップ補正手法と、周波数制御モジュール１１８の動的応答を制御する手法の２通りの手法を実行可能であってもよい。周波数チューニングは、有限の帯域幅上（例えば、ＲＦ電力供給源（例えばＲＦ発生装置１２あるいはＲＦ発生装置１０２）の中心周波数の±５％）の動作について定義されていてもよい。周波数制御モジュール１１８は、動作帯域幅を通して行われ、伝送電力を最大化する周波数チューニングポイントに収束するように周波数を更新する。上記の動作帯域幅は、中心周波数の関数として測定される。その結果、周波数制御モジュール１１８の周波数応答は周波数で測定される。これにより、帯域幅によって規定される周波数制御モジュール１１８の応答を自動設定することができる。帯域幅の一例は１．３５６ＭＨｚであり、図９Ａ〜図９Ｄはその場合の結果を示している。
【０１４２】
周波数制御モジュール１１８によって実行される周波数の更新を、上記の動作帯域幅に基づくＰＩＤ係数（あるいはＰＩＤ項）を用いてＰＩＤ制御器により行ってもよい。上記ＰＩＤ係数は、所定の周波数および／または歪み値を超過する量が最小になるように設定される。上記の歪みの測定結果に基づいて、周波数制御モジュール１１８は重大な超過を生じさせないように上記の動作帯域幅内で迅速に周波数の更新を行う。これにより、設定時間の最短化が図られる。例えば、６０ＭＨｚの周波数に対する上記帯域幅は６ＭＨｚに設定される。上記ＰＩＤ係数は、同一のチューニング時間性能が得られるように設定される。例えば、１３．５６ＭＨｚについてのＰＩＤ係数は、１６５ＫＨｚの最大周波数ホップを提供する。６０ＭＨｚについては、最大ホップとして５あるいは０．８２５ＭＨｚが測定される。これにより、手動操作不要な自動サーボ周波数チューニング機構が提供される。
【０１４３】
ステップ２７８では、マッチングネットワーク１４が、第１〜第３インピーダンスチューニング値ｕｔｆｆ，ｕｌｆｆ，ｕｆｆｆに基づいてインピーダンス整合を行う。ステップ２８０では、マッチングネットワーク１４から負荷１６にＲＦ電力が供給される。ステップ２８０の後にステップ２５２を実行してもよい。
【０１４４】
図３および図４に示した上記各ステップは、一例にすぎず、複数のステップを連続して行ってもよく、同期させて行ってもよく、同時に行ってもよく、継続的に行ってもよく、処理期間の一部が重複していてもよく、適用法に応じて異なる順序で行ってもよい。また、インピーダンスおよび／またはイベントの順序に応じて上記各ステップのうちの一部を実行しなかったり、飛ばしたりしてもよい。
【０１４５】
図５Ａ〜図６Ｃは、電圧および電流センサを実装し、フィードフォワード機構における周波数サーボ制御にシヌソイド関数を用いた場合の例を示している。図５Ａ〜図５Ｃは、予め設定された電力増幅器の周波数動作範囲の下限から周波数調整が開始される場合の例を示している。図６Ａ〜図６Ｃは、予め設定された電力増幅器の周波数動作範囲の上限から周波数調整が開始される場合の例を示している。
【０１４６】
図５Ａは、電圧および電流センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合の反射係数Γの周波数チューニング軌跡３００を示したスミスチャートである。周波数は、スミスチャート上にマッピングされる反射係数Γがコンダクタンス円３０２に従うように調整される。電圧および電流センサからの信号に基づいて決定された定量化された歪みを用いた周波数チューニングの軌道が示されている。周波数初期値は円３０４として示されている。チューニングは、反射係数Γがスミスチャートの原点（０，０）に収束するように行われる。
【０１４７】
図５Ｂは、図５Ａに示した周波数チューニング軌跡３００に対応する更新周波数をプロットした図である。左側のｙ軸は周波数調整量を示しており、右側のｙ軸は更新周波数を示している。信号３１０はＲＦ電力信号の周波数を示している。信号３１２は周波数および／または周波数チューニング値ｕｆｆｆの変化を示している。
【０１４８】
図５Ｃは、図５Ｂの更新周波数に対応する反射係数Γの大きさの変化を示している。周波数信号３１０と反射係数Γの大きさを示す信号３１４とが示されている。図５Ｃに示した反射係数Γの大きさについての結果を監視することにより、周波数制御モジュール１１８が、例えば６０μｓの期間中に、負荷状態を調整するようにしてもよい。
【０１４９】
図６Ａは、電圧および電流センサを用いて周波数範囲の上限の初期化を行う場合の反射係数Γの周波数チューニング軌跡３２０を示したスミスチャートである。この例におけるチューニング時間は５０μｓである。調整量を変化させることによりコンダクタンス円３２２上の方向を変化させ、最終的に原点（０，０）に収束させる。周波数初期値は円３２４で示されている。
【０１５０】
図６Ｂは、図６Ａの周波数チューニング軌跡に対応する更新周波数を示している。左側のｙ軸は周波数調整量を示しており、右側のｙ軸は更新周波数を示している。信号３２６はＲＦ電力信号の周波数を示している。信号３２８は周波数および／または周波数チューニング値ｕｆｆｆの変化を示している。
【０１５１】
図６Ｃは、図６Ｂの更新周波数に対応する反射係数の大きさの変化を示している。周波数信号３３０と反射係数Γの大きさを示す信号３３２とが示されている。図６Ｃに示した反射係数Γの大きさについての結果を監視することにより、周波数制御モジュール１１８が、例えば５０μｓの期間中に、負荷状態を調整するようにしてもよい。
【０１５２】
図７Ａ〜図８Ｃは、方向性結合器センサを用い、反射係数に対応するシヌソイド関数を用いて電力増幅器の周波数チューニングを行った場合の例を示している。図７Ａ〜図７Ｃは、予め設定された電力増幅器の周波数動作範囲の下限から周波数調整を開始した場合の例を示している。図８Ａ〜図８Ｃは、予め設定された電力増幅器の周波数動作範囲の上限から周波数調整を開始した場合の例を示している。
【０１５３】
方向性結合器から得られた位相情報では、正方向電力信号にＸが割り当てられ、逆方向電力信号にＹが割り当てられている。この場合、複素反射係数量の余弦関数によって歪みが定量化される。更新速度および制御部のパラメータは、上述したシミュレーションと同じままである。図７Ａ〜図７Ｃは周波数範囲の下限についての上記制御部の初期化結果を示しており、図８Ａ〜図８Ｃは周波数範囲の上限についての上記制御部の初期化結果を示している。いずれの周波数初期化条件についても、自動周波数チューニングを１５μｓ未満で行うことができる。
【０１５４】
上記のシミュレーション結果では、方向性結合器センサを用いることにより、ＶＩセンサを用いる場合よりも早く電力欠陥を補正できているが、これは制御部のパラメータの作用によるものである。上記制御部のパラメータは、上記機構の実証を目的として設定しており、特定の性能に最適化していない。ＶＩセンサについての上記フィードフォワード制御部は、パラメータ設定により大幅に改善できる余地がある。
【０１５５】
図７Ａは、方向性結合器センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合の反射係数Γの周波数チューニング軌跡３５０を示したスミスチャートである。周波数は、スミスチャート上にマッピングされる反射係数Γがコンダクタンス円３５２に従うように調整される。方向性結合器センサからの信号に基づいて決定された定量化された歪みを用いた周波数チューニングの軌道が示されている。周波数初期値は円３５４として示されている。チューニングは、反射係数Γがスミスチャートの原点（０，０）に収束するように行われる。
【０１５６】
図７Ｂは、図７Ａに示した周波数チューニング軌跡３５０に対する更新周波数をプロットした図である。左側のｙ軸は周波数調整量を示しており、右側のｙ軸は更新周波数を示している。信号３６０はＲＦ電力信号の周波数を示している。信号３６２は周波数および／または周波数チューニング値ｕｆｆｆの変化を示している。
【０１５７】
図７Ｃは、図７Ｂの更新周波数に対応する反射係数Γの大きさの変化を示している。周波数信号３６０と反射係数Γの大きさを示す信号３６２とが示されている。図７Ｃに示した反射係数Γの大きさについての結果を監視することにより、周波数制御モジュール１１８が、例えば１６μｓの期間中に、負荷状態を調整するようにしてもよい。
【０１５８】
図８Ａは、方向性結合器センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合のマッチングネットワークにおける反射係数の周波数チューニング軌跡３６８を示したスミスチャートである。周波数の調整は、スミスチャート上にマッピングされる反射係数Γがコンダクタンス円３７０に従うように行われる。方向性結合器センサからの信号に基づいて決定された定量化された歪みを用いた周波数チューニングの軌道が示されている。周波数初期値は円３７２として示されている。チューニングは、反射係数Γがスミスチャートの原点（０，０）に収束するように行われる。
【０１５９】
図８Ｂは、図８Ａに示した周波数チューニング軌跡に対応する更新周波数をプロットした図である。左側のｙ軸は周波数調整量を示しており、右側のｙ軸は更新周波数を示している。信号３７４はＲＦ電力信号の周波数を示している。信号３７６は周波数および／または周波数チューニング値ｕｆｆｆの変化を示している。
【０１６０】
図８Ｃは、図８Ｂの更新周波数に対応する反射係数の大きさの変化を示している。周波数信号３７４と反射係数Γの大きさを示す信号３７８とが示されている。図８Ｃに示した反射係数Γの大きさについての結果を監視することにより、周波数制御モジュール１１８が、例えば８μｓの期間中に、負荷状態を調整するようにしてもよい。
【０１６１】
上記のシミュレーション結果では、方向性結合器センサを用いることにより、ＶＩセンサを用いる場合よりも更新速度が速くなっているが、これは制御部のパラメータの作用によるものである。電圧および電流センサについての上記制御部のパラメータを改善することにより、更新速度を向上させることができる。なお、図５Ａ，図６Ａ，図７Ａ，および図８Ａにおけるコンダクタンス円３００，３２２，３５２，３７０は完全な円ではないが、これらは略円形状の経路を有しているので、円と称している。
【０１６２】
（反転および不適切な負荷に関する設定値の調整）
図２および図１０を参照して説明すると、スミスチャートは周波数チューニングの収束点を示す。第２入力モジュール１１４は、周波数の更新方向を反転させて、歪み設定値を調整するように構成されている。第２入力モジュール１１４は、歪み設定値を指示する。加算部１１６は、測定された歪みと歪み設定値との差を演算して補正項ｃｔを生成する。測定される歪みがｃｏｓΘである場合、歪み設定値は１である。測定される歪みがｓｉｎΘである場合、歪み設定値は０である。この歪み設定値は、更新周波数の反転および不適切な負荷の両方に用いられる。
【０１６３】
（周波数更新方向の反転）
図１０は、任意のコンダクタンス円４０２に関して定量化された歪みに基づいて矢印４００で示された周波数チューニング方向に周波数チューニングを行う場合の例を示している。この図では、正弦関数および周波数の更新方向を示す矢印４００を重畳させて描いている。ｓｉｎΘ＞０である場合、周波数制御モジュール１１８は、電源（例えば図１のＲＦ電力システム１０あるいは図２のＲＦ電力システム１００）の周波数を増加させるように周波数更新を行う。ｓｉｎΘ＜０である場合、周波数制御モジュール１１８は、電源の周波数を減少させる。図１１は、周波数範囲が１３．３ＭＨｚ〜１４．２ＭＨｚである場合の周波数チューニング動作の例を示している。歪み値がｓｉｎΘ＞０である場合、周波数はｓｉｎΘ＝０になるまで増加させられる。歪み値がｓｉｎΘ＜０である場合、周波数はｓｉｎΘ＝０になるまで減少させられる。この例では、ｓｉｎΘ＝０の場合の周波数は１３．９ＭＨｚである。１３．９ＭＨｚでは、歪みは完全に補正され、伝送電力は最大化される。
【０１６４】
方向が反転する範囲が存在する。当該範囲では、第２入力モジュール１１４が、方向を反転させるように設定値を調整する。上記の例について説明を続けると、方向が反転する範囲の例は１２．８８ＭＨｚ〜１３．３ＭＨｚである。周波数が１２．８８ＭＨｚ〜１３．３ＭＨｚである場合、歪みｓｉｎΘは０未満であり、周波数は減少させられる。この周波数範囲内で減少させることにより、周波数は収束周波数チューニング設定値から離れる。この場合、方向は反転させられ、歪みはそれに応じて周波数１３．３ＭＨｚでｓｉｎΘ＝０になるまで減少する。この周波数では、インピーダンスＺ（マッチングネットワークのインピーダンス）および反射係数Γはコンダクタンス円４０２の外側の点にマッピングされる。ｓｉｎΘについての歪み基準を満たしているが、正規化インピーダンス｜ｚ｜が伝送線のインピーダンスになっていないので（あるいは伝送線のインピーダンスと等しくないので）、伝送電力は最大化されていない。この周波数範囲について説明すると、第２入力モジュール１１４は、周波数方向を反転させ、サーボ制御する周波数が非最適な周波数（あるいは所定値とは異なる周波数）にならないように設定値を調整する。図１１は、ｃｏｓΘ、ｓｉｎΘ、反射係数の位相角∠Γ、正規化インピーダンス｜ｚ｜、実数インピーダンス項、および虚数インピーダンス項を１３．３ＭＨｚ〜１４．２ＭＨｚの周波数範囲内にプロットした結果を示している。
【０１６５】
（不適切な負荷）
ＲＦ電源の動作帯域幅の周波数にかかわらず、反射係数がゼロに近づくスミスチャートの中心から離れた負荷が不適切な負荷として定義される。この場合、ＲＦ電源に対する負荷は、ＲＦ電源の動作帯域幅での周波数ｆの関数であるインピーダンスｚ（あるいはｚ（ｆ））によってスミスチャート中に任意に表される。このシナリオでは、Θ＝０は存在しない。しかしながら、この制約の下で、周波数は伝送電力を最大化するために役立てられる。このことは、第２入力モジュール１１４によって予め設定される設定値をｓｉｎΘあるいはｃｏｓΘが更新後の設定値に適合するまで調整することにより実行される。
【０１６６】
上述した手法は、周波数のサーボ自動周波数チューニング（ＡＦＴ）を電力調整に結び付けるものであり、異種の複数の関数を用いて各ステップを実行する手法とは異なっている。上記サーボＡＦＴ手法は、従来の直接探索法および誘導探索法と比べて、アルゴリズムの簡略化することができる。誘導探索法は、複数の周波数チューニング経路を制御するための過程および微細なチューニングとして定義できる。シヌソイド関数を用いることにより、定量的な歪み測定結果を取得し、この歪み測定結果に基づいて、設定値に収束するまで周波数を更新する。これにより、電力調整と周波数チューニングとを結合させて首尾一貫した制御を行うことができる。
【０１６７】
図９Ａ〜図９Ｄは、周波数の更新および反響の例を対応する歪み変化のプロット結果に応じてプロットしたものである。図９Ａおよび図９Ｂは、ＲＦ電源（例えば図２のＲＦ電力システム１００）の周波数がチューニング周波数１３．５４ＭＨｚから２２０ＫＨｚまで調整される場合の第１の例に関するものである。図９Ａには、更新周波数ｕおよび反響周波数ｆが示されている。図９Ｂには、ｓｉｎ（Θ）の実際の歪み値およびオフラインの歪み値（すなわち理論的な歪み値およびシミュレーションによる歪み値）が示されている。
【０１６８】
図９Ｃおよび図９Ｄは、ＲＦ電源（例えば図２のＲＦ電力システム１００）の周波数がチューニング周波数１３．５４ＭＨｚから４２０ＫＨｚまで調整される場合の第２の例に関するものである。図９Ｃには、更新周波数ｕおよび反響周波数ｆが示されている。図９Ｄには、ｓｉｎ（Θ）の実際の歪み値およびオフラインの歪み値が示されている。
【０１６９】
図９Ａ〜図９Ｄは、プラズマシステムに関するサーボＡＦＴに関するプロット結果を示している。サーボＡＦＴは電力調整に割り込ませて行われる。上記の割り込みは、１０μｓ毎に生じる。電力増幅器（例えば図２の電力増幅器１０６）の電力調整は、割り込みが生じている期間中であっても電力制御モジュール（例えば図２の電力制御モジュール３２）によって実行される。サーボＡＦＴは臨時の割り込み期間中に行われる。両方の例において、周波数は１つの設定ポイントについて５〜６回の割り込みで決定される。電力調整の間にサーボＡＦＴを挟みこむことで、チューニング時間を１００μｓ以内にすることができる。ＰＩＤ制御を行うことにより、要求されたチューニング帯域幅あるいは動作帯域幅の３０％にわたるチューニング時間の継続時間を上記の第１の例と第２の例との間で同様にできる。上記のｓｉｎ（Θ）のオフライン演算は、実際のｓｉｎ（Θ）値の正確さを確認するために行われる。
【０１７０】
上述した実施例では、動的な負荷条件の下で電力伝送を最適化するために、フィードフォワード制御を用いて敏捷なＲＦ電源のチューニング調整を制御するサーボ制御技術について説明した。サーボ制御技術により、迅速な更新速度を達成でき、数マイクロ秒で最大電力伝送条件にチューニングすることができる。迅速なチューニングにより、ＲＦ電源（あるいはＲＦ電力供給源）における電力消費を低減し、電気機械的要素数を低減するとともに、ＲＦ電力システムの信頼性を改善することができる。フィードフォワード制御により、測定結果（あるいは演算結果）によってもたらされる、歪み量を低減する高精度な制御を行うことができる。
【０１７１】
上記技術により、発見的な探索方法の特徴とは異なり、予測可能な閉形式の応答を提供できる。また、上記技術により、電力増幅器によって生成されたＲＦパルス波の一貫した制御を行うことができる。上記技術は、センサの種類の影響を受けず、電圧および電流センサ、および／または方向性結合器センサを用いることができる。デジタルサンプリング技術は機械的なチューニングが可能な部材よりも速い更新速度を提供できるが、アナログ技術が提供される。上記技術は、リアルタイムに演算されるベクトル（あるいは電力増幅器によって生成されるＲＦ電力信号）を用いてシヌソイド関数を直接測定する工程を含む。ベクトル方程式の演算は、不適切な方向へのチューニングを避けたチューニングの方向を提供するセンサ信号の大きさを決定する工程を含む。センサ信号は電力に応じて変化し、周波数に直接関連する。
【０１７２】
ＰＩＤ制御器あるいは周波数制御モジュール１１８の周波数の調整を行うために用いられるＰＩＤ項は、電力増幅器（例えば電力増幅器２０）およびＲＦ電力伝送システム（例えばＲＦ電力システム１０あるいはＲＦ電力システム１００）の全体の設計ポイントに応じて調整できる。ＲＦ電源（例えばＲＦ発生装置１２あるいはＲＦ発生装置１０２）あるいは電力伝送システム内の要素は、ｄｆ／ｄｔ（あるいは所定時間当りの周波数の変化量）によって制限される。ＰＩＤ項は、ＲＦ電力伝送システム、ＲＦ電力伝送システムの部材およびサブシステム、および／または、ＲＦ電力伝送システムおよび／または部材およびサブシステムの拡張信頼性の保護を形成することができる。
【０１７３】
その結果、広いチューニング範囲において、ＰＩＤ項により更新周波数値の大きさを制限することができる。更新周波数のサイズの低減には、さらなる更新周波数および周波数チューニング時間の拡張が要求されるので、不注意で性能を低下させてしまう場合がある。局所インピーダンス領域（すなわち、予め設定されたインピーダンス設定値の範囲内のインピーダンス、および／または、歪み設定値あるいは予め設定された歪み範囲に対応するインピーダンス）内のインピーダンスを提供するように周波数をチューニングする場合、異なる制御モジュール（あるいは制御部）応答が提供される。上記インピーダンス領域を、決定された歪み（例えばシヌソイド関数）により定量化してもよい。局所インピーダンスポイントに起因して歪みが減少する場合、制御モジュールの性能は、周波数チューニングの補正時間を改善するように瞬間的に更新される。
【０１７４】
より広い意味では、２つの制御モジュール応答（応答Ａおよび応答Ｂ）を用いることができる。制御モジュール応答Ａは、更新周波数を適切に測定することによって更新周波数の大きさを制限するために用いられる。この応答は、最大値の絶対値を超える歪みを示す。歪みが最大値の絶対値未満である場合、迅速な収束のために制御モジュール応答Ｂが用いられる。制御モジュール応答Ｂにより、制御モジュールＡの収束速度よりも速い収束速度を実現できる。一実施例として、ＰＩＤ項を制御モジュールＡと制御モジュールＢとで置き換えてもよい。歪みの検出結果（あるいは測定結果）に基づいて制御モジュール応答の選択を行ってもよい。
【０１７５】
上述した技術は、従来のＲＦ電力システムでは２つのＲＦセンサが用いられているのに対して、単一のＲＦセンサを用いるものも含んでいる。例えば、電圧および電流出力信号の位相差を検出する従来のＲＦ電力システムは、典型的には、電圧出力信号の位相を検出するためのＲＦセンサと電流出力信号の位相を検出するためのＲＦセンサとを備えている。位相差は上述した技術を用いる方法では決定されず、単一のＲＦセンサを電力増幅器の電圧および電流出力を決定するために用いてもよい。位相差は決定されないので、位相差の測定も行われない。
【０１７６】
上記フィードフォワード制御は、電力制御モジュールによって提供されるフィードバック制御を用いて、ＲＦ発生装置および／またはマッチングネットワークに関連する動特性で一貫した統合性能を提供する。このことは、発見的な方法やその他の従来の手法では実現できなかった。
【０１７７】
上述した周波数自動サーボ制御技術の基本の１つは、敏捷なＲＦ電源周波数の更新により測定された電力歪みを補正することにある。上述した方法は、スミスチャートにおける単一のコンダクタンス円に基づいて発生する。この方法では、ｓｉｎ（Θ）を±πの範囲で適宜変化させる。その結果、シヌソイド関数は、動作周波数帯域の制限がそれぞれの周波数範囲（例えば最小周波数については＋１、最大周波数については−１）に割り当てられた、±１の範囲になる。
【０１７８】
伝送路理論およびそれに対応する処理に関連する効果がある。伝送路理論では、電源に見られるインピーダンスは伝送路の長さＬの影響を受ける。電源におけるインピーダンスｚは、損失のないケーブルの場合、任意の末端インピーダンスｚＬについて、伝送路の長さＬを変数とする関数に応じて変化する位相を有する（例えばｚ＝ｚＬｊβＬ）。ここで、βは周波数（ｒａｄ／ｓ）と波伝播速度（ｍ／ｓ）との比である。図１２は、インピーダンスに対する伝送路効果の影響を示している。図１２は、ケーブル長によるインピーダンス変化、およびそれに対応する補正の効果を示している。動作帯域幅の最小周波数は、四角形の記号で示されている。円形の記号は、最大および／または所定の電力伝送を達成するチューニング周波数を示している。
【０１７９】
図１２に示した軌跡４１０は、周波数関数に応じたインピーダンスを示している。周波数が増加するにつれて、まずインピーダンスの複素成分の軌道が増加し、その後、周波数の増加に応じて減少する。０との交点では最適伝送電力はｓｉｎ（Θ＝０）＝０で生じる。ここで、ｓｉｎ（Θ）は電力歪みの定量測定結果である。ｓｉｎ（Θ＝０）＝０が生じる周波数は、最大伝送電力を得るためのチューニング周波数である。インピーダンスの軌跡はスミスチャートにおける単一のコンダクタンス円に対応し、理想的なシナリオを示す。ｓｉｎ（Θ）＞０である場合、周波数は増加する。同様に、ｓｉｎ（Θ）＜０である場合、周波数は減少する。このことは、ｓｉｎ（Θ＝０）＝０が満たされるチューニング周波数を見つけることにより最適な伝送電力を達成するように周波数をサーボ制御するための体系的方法を提供する。非理想的なシナリオでは、ケーブル長の変化により、スミスチャートにおいてインピーダンスが回転する。ケーブル長が適切に増加あるいは減少するにつれて、シヌソイド関数ｓｉｎ（Θ）は一方に片寄る。例えば、ケーブル長が適切に増加すると、シヌソイド関数ｓｉｎ（Θ）は０とπとの間の値だけを取る。ケーブル長が適切に減少すると、シヌソイド関数ｓｉｎ（Θ）は０と−πとの間の値だけを取る。これらの例では、最大周波数は最小周波数と同じ値になる。上記関数ｓｉｎ（Θ）が一方に片寄るという表現は、ｓｉｎ（Θ）が正または負の値であることを意味する。上記関数（Θ）は理想的なシナリオでは両側の値を取らない。
【０１８０】
図１３は、理想的なケースの電力歪み、および非理想的なケースの電力歪みを周波数の関数として示したものである。図１３では、周波数に対応する電力歪み（ｙ軸）をプロットしたものであり、単一のコンダクタンス円に沿ったインピーダンスの軌跡を有する理想的なケース（ｚ Ｔ）、および補正（ｚ ｎＴ ＲＯＴ）に対応する非理想的なケース（ｚ ｎＴ）を示している。図１２および図１３における上記ｚ Ｔの軌跡は、理想的なケースについての同じインピーダンスに対応する両側の値を示している。
【０１８１】
ケーブル長が増加すると、一方に片寄った関数に対応する上記単一のコンダクタンス円からインピーダンスの軌跡が外れる非理想的なケースが生じる。このことは、図１２および図１３の両方において、ｚ ｎＴが最初に０未満の値を取ることにより説明される。このケースでは、上述した制御モジュールのいずれかが、方向性の好ましくない電力歪みを補正する。上記シヌソイド関数は、ｓｉｎ（Θ＝０）＝０でのチューニング周波数ではない負の周波数になる。このケースは、ケーブル長を変化させることによって補正可能であるが、周波数サーボ制御を用いる実装に好ましくない制限が生じる。これは、上記制御モジュールが、測定されたインピーダンスを上記の単一のコンダクタンス円上に配置するために適用される適切な回転を決定するための自動処理を実行することによって補正される。
【０１８２】
再び図１２を参照すると、インダクタンスの軌跡が上記の単一のコンダクタンス円から外れるように移動し、一方に片寄った電力歪み関数を形成されるケーブル長の欠陥をキャンセルするように位相回転が決定される。測定されたインピーダンスの非理想的な軌跡ｚ ｎＴは、軌跡ｚ ｎＴ ＴＲＡＮＳによって示されるように、複素平面の（０，０）に移動する。上記関数は、その後、ｚ ｎＴ ＴＲＡＮＳ ＲＯＴを形成するように位相角φだけ回転され、最終結果であるｚ ｎＴ ＲＯＴを生成するように逆変換される。この補正は、図１３に示すように、ｚ ｎＴ ＲＯＴにより両方向の関数を形成する。数学的には、この補正はｚ＝ｚＬｅｊβＬｅｊφと表される。
【０１８３】
上述した広範な技術の開示内容は、様々な形態で実装可能である。したがって、本明細書には特定の実施例について記載しているが、当業者であれば請求項、明細書、および図面の記載内容に基づいて様々な形態に容易に変更可能であることは明らかであり、本発明の真の範囲は限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１８４】
【図１】本発明の一態様に関する図面であり、フィードフォワード制御を行うＲＦ電源システムの機能ブロック図である。
【図２】本発明の一態様に関する図面であり、フィードフォワード制御および電力補正フィードバック制御を行うＲＦ電源システムの機能ブロック図である。
【図３】本発明の一態様に関する図面であり、フィードフォワード制御方法およびフィードバック制御方法を示す説明図である。
【図４】本発明の一態様に関する図面であり、周波数に基づくインピーダンス整合のフィードフォワード制御方法およびフィードバック制御方法を示す説明図である。
【図５Ａ】本発明の一態様に関する図面であり、電圧および電流センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合の反射係数の周波数チューニング軌跡を示すスミスチャートである。
【図５Ｂ】図５Ａに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【図５Ｃ】図５Ｂに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【図６Ａ】本発明の一態様に関する図面であり、電圧および電流センサを用いて周波数範囲の上限の初期化を行う場合の反射係数の周波数チューニング軌跡を示すスミスチャートである。
【図６Ｂ】図６Ａに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【図６Ｃ】図６Ｂに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【図７Ａ】本発明の一態様に関する図面であり、方向性結合器センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合の反射係数の周波数チューニング軌跡を示すスミスチャートである。
【図７Ｂ】図７Ａに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【図７Ｃ】図７Ｂに示した周波数の更新結果に対応する反射係数の大きさの変化をプロットした図である。
【図８Ａ】本発明の一態様に関する図面であり、方向性結合器センサを用いて周波数範囲の下限の初期化を行う場合のマッチングネットワークにおける反射係数の周波数チューニング軌跡を示すスミスチャートである。
【図８Ｂ】図８Ａに示した周波数チューニングの軌跡に対する周波数の更新結果をプロットした図である。
【図８Ｃ】図８Ｂに示した周波数の更新結果に対応する反射係数の大きさの変化をプロットした図である。
【図９Ａ】本発明の一態様に関する図面であり、周波数の更新結果および反響をプロットした図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示した周波数の更新結果に関連する歪みの変化をプロットした図である。
【図９Ｃ】本発明の一態様に関する図面であり、周波数の更新結果および反響をプロットした図である。
【図９Ｄ】図９Ｃに示した周波数の更新結果に関連する歪みの変化をプロットした図である。
【図１０】本発明の一態様における周波数チューニングを示すスミスチャートである。
【図１１】本発明の一態様における歪み、位相角、およびインピーダンス値をプロットした図である。
【図１２】本発明の一態様におけるインピーダンスの軌跡をプロットした図である。
【図１３】本発明の一態様における、異なるインピーダンスについて電力歪みに対する周波数の軌跡をプロットした図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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